微纳结构形式对镍薄膜超快热化动力学的影响

杨 进，金卫凤，任乃飞

(1.江苏森威集团有限责任公司，江苏 盐城 224100)

(2.江苏大学机械工程学院，江苏 镇江 212013)

随着信息技术的飞速发展，海量信息的存储对铁磁性信息材料的性能要求越来越高，研究铁磁性材料的超快动力学响应成为一个重要的研究课题。镍作为典型的铁磁性材料，对其超快动力学进行研究，在提高信息的存取速度和微器件的响应速度与稳定性方面有着重要的借鉴意义。泵浦探测技术作为研究材料非线性光学性质和超快响应过程的技术，被广泛地应用于金属薄膜的瞬态反射率检测中。利用泵浦探测对磁性薄膜的超快动力学研究已经有一段时间，且随着技术的发展不断深入。薄膜参数及实验参数对其热化和磁化动力学的影响得到了广泛地关注，目前主要包括薄膜厚度的影响[1]、基底的影响[2]、脉冲能量的影响[3]、团簇尺寸影响[4]等方面的研究。随着纳米技术的介入，微纳结构镍薄膜被广泛地应用于各种功能性微纳器件，然而至今对于微纳结构镍薄膜的超快动力学研究不多，还缺乏足够的理论支持，限制了纳米结构薄膜的进一步应用。基于此，本文制备了4种微纳结构形式的镍薄膜，并利用飞秒泵浦探测技术获取了它们的瞬态反射率变化，研究了不同微纳结构形式对镍薄膜超快热化动力学的影响。

1 实验

假设微细结构的镍薄膜具有量子限域效应，即对于极为微小的点、线和薄膜结构，能量在其中的分布与在体结构中的分布具有较大的差异。对于体结构，能量与态密度之间存在连续变化规律;对于薄膜结构，由于薄膜的阻隔效应，能量与态密度之间是阶梯型分布;而量子线中的能量与态密度间存在一定的弛豫效应;对于量子点，能量只能在分立能级上存在[5]。量子级别的点、线和面上的分立能级现象，在一定程度上也将影响材料超快热化过程。为此，设计实验对体、面、线和点对材料的反射率影响进行了研究。实验中分别用厚镍薄膜(厚度远超镍的光透深度)、薄镍薄膜(厚度接近镍的光透深度)、反点阵结构镍薄膜以及颗粒结构镍薄膜代表体、面、线和点结构薄膜。

1.1 样品的制备

采用磁控溅射技术在单晶硅片上制备厚、薄镍连续薄膜。工作台为K575x Peltier型镀膜仪，靶材是纯度为99.999%的 Ni靶材(尺寸为56mm×0.5mm)，溅射室真空度为 0.01Pa，溅射时镀膜电流为60mA不变，溅射气体为高纯氩气，溅射气压为7Pa，利用溅射时间来控制薄膜的厚度，使用溅射仪自带的膜厚测控仪监测薄膜的厚度。用这种方法，在硅片上制备了代表体结构的500nm镍薄膜和代表线结构的10nm镍薄膜。

反点阵结构镍薄膜是通过在利用阳极氧化制备的氧化铝模板上镀10nm的镍薄膜获得的，镀膜参数和连续薄膜的一样。由于氧化铝模板上有孔洞，溅射靶材的粒子大量沉积在模板表面，仅有少量进入孔内，因此可以认为孔内镍材料是不连续的，即形成了由线构成的网状结构，如图1(a)所示。图1(a)为反点阵结构镍薄膜的扫描电镜图，从图中可以看出，反点阵结构薄膜的孔间距为120nm左右，其孔径约为45nm。

颗粒结构镍薄膜是利用CVD(Z)-06/60/3型自动控温管式炉对制备的10nm连续镍薄膜进行刻蚀获得的。刻蚀气体是纯度为99.9%的氨气，刻蚀温度为800℃，刻蚀时间为12min。在刻蚀过程中，连续薄膜的表面转变成纳米颗粒结构，可代表点结构。颗粒状镍薄膜样品的扫描电镜图如图1(b)所示，从图中可以看出颗粒结构镍薄膜的颗粒大小在75nm左右，且分布相对均匀。

图1 镍薄膜样品扫描电镜图

1.2 实验装置

采用飞秒激光泵浦探测技术对4种样品的瞬态反射率变化进行探测，其装置如图2所示。钛宝石激光系统发射出中心波长为800nm、重复频率为82MHz、单脉冲宽度为30fs、P偏振的飞秒脉冲。实验中飞秒脉冲被分束镜分成能量密度比为10∶1泵浦光和探测光。其中泵浦光被斩波器斩成占空比为1∶1的断续方波脉冲序列，斩波频率为2000Hz。探测光通过一个时间延迟光路，该延迟光路由一个步进电机控制，根据步进电机运动的精度10μm，可以得到实验的时间分辨率为66.7fs。在实验中泵浦光的光斑直径约为100μm，为了确保两光束在样品处很好地重叠，探测光的光斑直径需小于泵浦光的光斑直径，因此本实验中探测光的光斑直径约为50μm。

图2 飞秒激光泵浦探测装置示意图

2 实验结果与分析

4种镍薄膜样品的瞬态反射率变化检测结果如图3所示。从图中可以发现4种镍薄膜的反射率变化都呈前期快后期相对缓慢的趋势，这是由于镍特有的原子结构导致的。对于镍薄膜来说，受到激光激发后其d能级发生自旋分裂，d能级与费米能级很接近，而且电子使得电子-声子弛豫时间极短，电子-声子散射以后，能量容易集中在薄膜的表层，不易于向金属深处传导。虽然4种镍薄膜的瞬态反射率有相似的变化趋势，但是由于微纳结构形式的不同，还是存在一定差别的。

图3 不同微纳结构形式的镍薄膜反射率变化

比较图3(a)和图3(b)可以发现，硅基底500nm镍薄膜和硅基底10nm镍薄膜受激发后从反射率开始变化到反射率变化达到最高所用的时间是一样的，但是两薄膜反射率变化达到最高时反射率变化幅度是不同的。这是因为镍的电子自由程为11nm，其光透深度在同一量级，当薄膜的厚度小于材料的光透深度时，由于被激发后的电子对探测光有较大的吸收作用，此时反射率的变化幅度要大于厚度较大的薄膜的反射率变化幅度。也就是说，体结构的镍薄膜与面结构的镍薄膜在本实验装置测量精度范围内具有相当的电子-声子弛豫时间，但是体结构的最高反射率变化要小于面结构。

从图3(b)、图3(c)和图3(d)中可以看出，10nm厚的硅基底镍连续薄膜、反点阵结构氧化铝基底镍薄膜和颗粒硅基底镍薄膜虽然具有相近的最高反射率变化，但是受激发后从反射率开始变化到反射率变化达到最高所用的时间是不同的。微纳反点阵结构氧化铝基底镍薄膜的反射率从平衡值变化到最小值的时间长于在连续薄膜上所花费的时间。也就是说，线结构薄膜热化平衡时间比面结构薄膜的平衡时间长，这是由网状薄膜的特点所导致的。对于网状薄膜，由于材料的不连续性，电子-声子(s能级上的自由电子与晶格)的作用受到影响，作用时间变长，根据前人的研究得到的电子-电子散射和电子-声子散射共同作用下得到的温度随时间的变化关系[6]可知，电子与晶格作用时间变长将导致从初始变化时间到平衡时间间隔变长。

比较图3(c)与图3(d)可以发现，颗粒结构的镍薄膜受激发后反射率从平衡值变化到最小值所用的时间要大于微纳反点阵结构所用的时间，即说明点结构镍薄膜比线结构镍薄膜的热化平衡时间要长。这是因为连续薄膜经刻蚀后在薄膜表面形成了微小的量子点结构，这些量子点之间有一定的间距，造成了表面的不连续，这种量子点的不连续在理论上也应该比量子线的不连续导致的电子热化时间长。

3 结束语

本文基于飞秒激光泵浦探测技术，以典型的铁磁性材料镍为载体，设计实验对体、面、线和点结构的镍薄膜的反射率变化进行了检测，研究了微纳结构形式对镍薄膜超快热化动力学的影响。结果表明:(1)体结构和面结构镍薄膜在本实验装置的精度范围内具有相当的热化时间，但由于体结构的薄膜厚度远大于材料光透深度，瞬态反射率的变化幅度要比厚度与光透深度在同量级的面结构薄膜小。(2)线结构与点结构镍薄膜由于材料表面的不连续性导致了热化时间比连续薄膜的长，其中点结构的薄膜热化时间最长。因此，对于微纳结构镍薄膜来说，随着结构维数的减小，量子限域效应对电子热化时间有延缓作用。这种延缓作用对超快海量信息存储介质提出严峻的要求:在对超快海量信息存储介质及相关系统进行设计时，需要考虑信息存取过程中信息的相互干扰效应。

[1] 任乃飞，许美玲，顾佳方，等.飞秒激光作用下铁磁薄膜的热化动力学分析[J].中国激光，2010，37(8):2057-2062.

[2] Güdde J，Conrad U，Jähnke V，et al.Magnetization dynamics of Ni and Co films on Cu(001)and of bulk nickel surfaces[J].Physical Review B，1999，59(10):6608-6611.

[3] Jin W F，Zhou M，Liu C L，et al.Investigation of ultrafast electron dynamics of nickel film and micro-nano-structure film[J].Chinese Optics Letters，2009，7(7):650-652.

[4] Pontius N，Neeb M，Eberhardt W，et al.Ultrafast relaxation dynamics of optically excited electrons in Ni3-[J].Physical Review B，2003，67(3):035425-1-5.

[5] Alivisatos A P.Semiconductor clusters，nanocrystals，and quantum dots[J].Science，1996，271:933-937.

[6] Kampen M Van.Ultrafast spin dynamics in ferromagnetic metals[D].Eindhoven:Technology University Eindhoven，2003.