Неравновесные процессы при сверхбыстром тепловом воздействии на вещество Агранат, Михаил Борисович

Введение к работе

Работа посвящена разработке новых экспериментальных методов и проведению исследований процессов электрон-спин-фононного теплообмена и фазовых превращений в металлах при нагреве поверхностного слоя лазерными импульсами длительностью 10 '¹² -і- 10 "¹¹с при «умеренных» потоках мощности 10 ^ю -*- 10 ¹² Вт.см '² до температур не более 10⁴К. Актуальность темы

Экспериментальные исследования неравновесных процессов электрон-спин-фононного теплообмена в металлах и ферромагнетиках, фазовых превращений и связанных о ними явлений, возникающих при тепловом воздействии сверхкоротких лазерных импульсов - это новое направление в физике тепловых импульсных воздействий и в физике твердого тела, развиваемое с конца 70-х годов благодаря появлению и развитию фемто- и пикосекундной лазерной техники. Исследования в этом направлении позволяют подойти к решению ряда фундаментальных физических вопросов, связанных с релаксацией электронных возбуждений, электрон-фононным взаимодействием, кинетикой фазовых переходов и другими процессами в твердых телах, проявляющимися в фемто- и пикосекундном диапазоне.

Первые эксперименты, описываемые в диссертации, по изучению кинетики электрон-фононного и электрон-спин-фононного теплообмена в металлах и ферромагнетиках были проведены , когда других экспериментальных работ в этой области не было, и существовали только теоретические модели, требующие экспериментального подтверждения. Были получены первые результаты измерения характерного времени электрон-фононной релаксации серебра и спин-решёточной релаксации никеля, которые впоследствии были подтверждены рядом работ других авторов. Экспериментально изучалось новое явление, возникшее в результате неравновесного нагрева электронной и фононной подсистем -тепловое излучение «горячих» электронов при «холодной» решётке.

К настоящему времени имеется значительное количество отечественных и зарубежных экспериментальных работ, посвященных

данным исследованиям. Помимо измерений релаксационных параметров этих процессов, они показали, что неравновесный нагрев электронов, спинов и решётки с помощью сверхбыстрого теплового лазерного воздействия может оказывать влияние на фазовые превращения и приводить также к новым явлениям, представляющим самостоятельный научный интерес, как, например, модель «холодного» плавления графита с помощью «горячих» электронов ( P.L.Silvestrelli, 1998).

Хотя экспериментальные исследования в этой области являются технически сложными и трудоёмкими и все результаты, имеющиеся к настоящему времени, считаются серьёзным научным достижением, как и прежде актуальной проблемой является разработка новых методов, позволяющих получить надёжную информацию о кинетике и параметрах релаксационных процессов и связанных с ними фазовых превращений. Наиболее сложной оказалась задача поиска методов, позволяющих с фемто- и пикосекундным временным разрешением получить данные о температуре решётки при электрон-спин-фононной релаксации и структурных преобразованиях, происходящих при фазовых переходах. Разработка таких методов также является целью настоящей работы.

Цель работы.

Целью диссертационной работы является разработка новых методов и проведение следующих экспериментальных исследований при сверхбыстром тепловом воздействии лазерных импульсов длительностью 1СГ^,2+10-^1,с:

а) кинетики электрон-фононного теплообмена в металлах с помощью
излучения «горячих» электронов;

б) кинетики электрон-спин-фононного теплообмена в окрестности
фазовых переходов первого и второго рода в ферромагнетиках типа
переходных металлов (Ni) и аморфных силавах редкоземельных металлов
(TbFeCo);

в) кинетики фазовых превращений при сверхбыстром нагреве лазерными
импульсами поверхности металлов ( цинк) и графита.

Научная новизна

Основано новое направление экспериментальных исследований процессов электрон-спин-фононного теплообмена в металлах и ферромагнетиках при воздействии ультракоротких лазерных импульсов. Приоритет работ признан в России и за рубежом, результаты исследований подтверждены в работах других авторов.

Впервые проведены экспериментальные исследования неравновесного нагрева электронной подсистемы металла при воздействии пикосекундных лазерных импульсов в условиях, когда температура электронов превышает температуру решётки.

Обнаружено и экспериментально обосновано новое явление - тепловое излучение «горячих» электронов в условиях «холодной» решётки. Исследования проведены с помощью нового метода, основанного на измерении параметров теплового излучения электронной подсистемы. Впервые экспериментально измерена величина коэффициента электрон-фононной релаксации для серебра.

Впервые были проведены экспериментальные исследования процессов электрон-спин-фононной релаксации в ферромагнетиках типа Ni. Экспериментально оценены характерные времена спин-электронной и спин-решеточной релаксации.

Исследована динамика фазовых превращений в тонких аморфных пленках TbFeCo при воздействии лазерных импульсов длительностью -1 пс. Впервые удалось получить информацию о величине температуры решётки в определённые моменты времени , сопоставить её с измерениями динамики спиновой подсистемы и определить время спин-решёточной релаксации. Обнаружено, что фазовый переход первого рода (кристаллизация) и переориентация направления магнитной анизотропии происходит за время < 1 ps.

Разработан, теоретически и экспериментально обоснован новый метод исследований кристаллической структуры сильнопоглощающих анизотропных кристаллов. Метод позволяет эффективно контролировать наличие дальнего порядка кристаллической структуры.

Практическая значимость.

Разработанные методы могут найти применение для решения ряда научных и практических задач в других областях физики и техники.

Тепловое излучение электронного газа металлов может быть использовано для безынерционного преобразования ультракоротких импульсов ПК - диапазона спектра излучения в видимое, неразрушающего контроля металлических включений в объёме прозрачных диэлектриков. (Эти способы практического применения защищены авторскими свидетельствами на изобретение.) С помощью «горячих» электронов может быть создан источник высокотемпературного (10⁴К) теплового излучения при «холодной» ( ниже температуры плавления) решётке.

Результаты исследований спин-решёточной релаксации в магнитооптических плёнках TbFeCo показали возможность увеличения скорости записи при нагреве до температур Кюри в аморфном и кристаллическом состоянии.

Метод оптической анизотропии может найти столь же широкое применение, как и хорошо известный способ эллипсометрии, так как позволяет оперативно и просто получить информацию о наличии дальнего порядка кристаллической структуры. Класс материалов, где возможно его применение, довольно широкий - металлы ( Zn, Bi, Cd и др.), различные сплавы, полуметаллы и полупроводники.

Образование полностью аморфного углерода при сверхбыстром нагреве микрокристаллического графита может найти применение как способ получения аморфных углеродных плёнок. Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты экспериментальных исследований процессов электрон-фононной релаксации при воздействии лазерного импульса длительностью 10 "'² + 10 ^И1с на металлы с помощью явления теплового излучения, определяемого температурой электронной подсистемы, превышающей по величине температуру решётки .

2. Метод определения коэффициента электрон-фононного теплообмена и измерение его величины для серебра

( а »(0.8 + 4). 10¹¹ Вт-см"³ К"¹).

Ч-

3. Результаты экспериментальных исследований процессов электрон-спин-фононной релаксации и фазовых структурных превращений в ферромагнетиках типа Ni и TbFeCo, заключающихся в измерении характерного времени спин-решёточной релаксации (Ni : г -10 ^эс, TbFeCo: г~10'"с), времени перехода из аморфного в кристаллическое состояние и изменение ориентации магнитной анизотропии в плёнках TbFeCo ( т < 1 ps).

4. Разработка и экспериментальное обоснование нового оптического метода контроля дальнего порядка кристаллической структуры анизотропных сильнопоглощающих кристаллов, позволяющего отличать процессы плавления и испарения нагретого поверхностного слоя.

Апробация результатов.

Основные результаты, описанные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

Всесоюзное совещание по нерезонансному воздействию оптического излучения с веществом (Ленинград 1981, 1988, 1990, Вильнюс 1984), Всесоюзная конференция по метрологии быстропротекающих процессов ( Москва 1979, 1981), Международный конгресс по высоскоростной фотографии и фотонике ( Москва 1980),Всесоюзная конференция по прикладной физике ( Хабаровск 1981), Всесоюзная межвузовская конференция (Фергана 1981), Всесоюзная конференция по физике магнитных явлений (Пермь 1981, Тула 1983), Международная и Всесоюзная конференция по когерентной и нелинейной оптике ( Ереван 1982), Всесоюзная школа по пикосекундной технике (Ереван 1988), Европейская конференция по термофизике ( Франция 1996), Всероссийская школа-семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники» ( Москва 1996), Международная конференция «Electrical transport and optical properties of inhomogeneous media» ETOPIM-4 ( Москва 1996), Международная конференция по статистической физике ( Франция 1998), Международная конференция по субсекундной теплофизике ( Франция 1998), Интернациональный симпозиум по лазерной абляции ( США 1998).

Объём работы и публикации.

Диссертация состоит из введения, трёх глав и раздела « Основные результаты работы». Она содержит 157 страниц текста, в том числе 30 рисунков и список литературы из 128 наименований. По материалам диссертации опубликовано 44 работы и 1 принята в печать.

Личный вклад автора в работы, вошедшие в диссертацию, является определяющим.