碲化锌薄膜载能子超快动力学实验研究 贾琳.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号:143677 碲化锌薄膜载能子超快动力学实验; 2.中国科学院工程热物理研究所，北京010 Email: x-zhang@tsinghua.edu.cn)( 摘要：本文利用双波长飞秒激光泵浦-探测实验方法测量了掺氮nTe薄膜在激光加热情况下载能子超快动力学过程。电子弛豫过程和加热过程的模型拟合实验数据，吻合的很好。拟合的10 ps，掺氮nTe薄膜表面超快反射率变化三个弛豫过程的时间常数均为亚皮秒量级。其中电子e1为电子-光子相互作用的扩散和带间载流子冷却负振幅过程e2是造成的捕获的。加热过程l主要通过电子-声子耦合进行的。nTe是直接带隙半导体，室温下宽度为eV，在光电方面良好的应用前景。研究领域，结太阳能因能有效利用太阳光谱提高的光电效率成为第三代太阳的研究热点之。nTe的禁带宽度大太阳光谱吸收范围，适合应用多结太阳电池的电池3]，与材料太阳能电池，更高转换效率的太阳电池。，这类新型电池还处于初步研究阶段对的激行为进行深入研究，影响电池光电转换主要物理为提供指引 材料中光激发载能相互作用时间极短，为飞秒或者皮秒量级，飞秒激光具有极高的时间分辨率近年来研究、和声子之间的相互作用过程有力的实验手段。ollier等4]采用飞秒激光热反射法得到了ZnSe体材料、和ns，ns和95ps。i等5]采用飞秒激光热反射法研究了i2Se3载能子相互作用过程，发现电子-声子相互作用以及缺陷引起的捕获效应是引起材料反射率变化机制。ia等6]研究了多晶i2Te3薄膜载能子相互作用激发，载能子热化以及扩散过程均亚皮秒。采用双波长飞秒激光泵浦-探测实验系统掺杂nTe薄膜相互作用并结合理论模型得出时间影响反射率变化的主要物理过程。原理及方法原理薄膜薄膜中首先吸收光子从价带激发到导带然后的电子通过扩散、电子-声子耦合、相干声子激发-空穴复合等能量弛豫过程，能量重新光激发前采用三弛豫过程7]来描述相干声子激发的情况下飞秒激光加热过程过程e表达式为： (1) 其中Ae1，Ae2和te1，te2分别是电子振幅和衰减时间。e1和Re2用来描述Re的两个指数项加热过程l表达式为： (2) 其中Al和tl分别是晶格加热过程的和常数。的响应为： (3) 其中U(t)是阶跃函数。研究的载能子作用的时间尺度和激光脉宽相当，所以卷积效应必须考虑6]，的探测样品响应信号为 (4) 其中G是泵浦光和探测光的互相关函数是卷积。加工及实验装置μm的半绝缘aAs（），射频等离子氮源掺杂法在衬底上掺氮nTe薄膜样品。台阶仪薄膜厚度为nm。fs，重复频率为80 MHz，中心波长为nm。采用半波片和激光器出口脉冲光并且泵浦光和探测光可由半波片调节电光调制器调制到特定的，并晶体模块倍频为nm蓝光，然后物镜在样品表面激发薄膜中nm）蓝光加热、探测，并且蓝光、红光都经由物镜垂直聚焦在样品表面，样品表面的垂直反射光经过效率-9的滤蓝光片，将加热光滤除，探测光进入是采用偏振的方式，滤除效率仅为-6，因此这种双波长的飞秒激光热反射系统单波长飞秒实验系统大大提高了精度。 图1 双波长飞秒激光泵浦-探测热反射系统 对于金属材料， (5) 其中a、b分别表示电子和声子温度变化对样品表面反射信号的影响大小[8,9]。而本实验的研究对象nTe半导体材料，反射率随表面温度的变化关系尚不明确需通过（）（）描述样品表面反射率变化nm蓝光光子能量eV,大于ZnTe薄膜禁带宽度eV）将通过吸收光子以及带间跃迁产生光。nm红光光子能量为eV,小于ZnTe薄膜禁带宽度，红光作为探测光，探测样品载能子超快动力学过程。位移平台的时间步长fs，飞秒激光掺氮nTe薄膜表面反射信号进行测量，调制频率选取为z，图三角形。从图中可以看出，信号在ps左右达到最大值，这和电子吸收光子带间跃迁的时间尺度相当的是，测量得到的ZnTe半导体薄膜升时间ps）的金属反射信号到达最大值的时间fs）10]，说明电子-电子相互作用导致了nTe薄膜载能子延迟热化反射信号到达最大值的时间推后。达到最大值之后，在ps内反射信号又迅速降低到在接下来的ps缓慢下降，但都没有到初始未加热的状态。的下降过程，与电子-声子相互作用过程时间相当。fs的多晶ZnTe薄膜热反射信号，三角形代表实验数据，为拟合结果探讨掺氮nTe薄膜在光激发情况下载能子相互作用的物理过程，采用式（）（）来拟合实验测量数据。如。从看出，声子过程的理论模型能很好的预测