基于超快激光技术的Bi纳米薄膜相干光学声子研究.PDF

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：143018 基于超快激光技术的Bi 纳米薄膜相干光学声子研究 1,2 2 2 2 1 1 王建立 ，郭亮 ，罗哲 ，徐先凡 ，倪中华 ，陈云飞 1 （东南大学机械工程学院江苏省微纳生物医疗器械重点实验室，江苏省南京市，211189 2 School of Mechanical Engineering, Purdue University, West Lafayette, Indiana 47907 ） (Tel ：025Email: wangjianli@seu.edu.cn) 摘 要 利用飞秒激光泵浦-探测技术测量了Bi纳米薄膜的相干光学声子。采用自相关技术测量得到探测 光的脉宽约为45 fs，采用探测光和泵浦光的互相关测量得到泵浦光经过脉冲整形以后的脉宽约为200 fs，进而测量得到Bi纳米薄膜的对称振动模频率为2.86 THz ，与自发Raman散射测量的结果吻合。采用 指数衰减函数与互相关信号的卷积拟合延迟时间在10 ps以内的测量信号，确定了相干光学声子振幅衰 减的特征时间约为2.59 ps ，与电子衰减特征时间相近，却远小于晶格加热的特征时间，从而为进一步 揭示半导体内部载流子与声子的相互作用提供了依据。 关键词 飞秒激光；相干光学声子；脉冲整形；对称振动模；互相关测量 0 前 言 基于热电效应制成的制冷和发电装置具有结构简单、无机械传动等优点，已经应用 在汽车废热利用、导弹精密温控等领域。目前热电材料仍然以半导体材料为主。半导体 内部载流子（电子和空穴）和声子的相互作用时间很短，例如载流子间碰撞时间在飞秒 -15 -12 量级（10 s ），声子与声子作用时间一般为皮秒量级 （10 s ），而载流子与声子作用一 [1] 般为几十皮秒 ，因此研究半导体内部载流子和声子的动态过程具有重要的科学研究价 值。20 世纪80 年代以来超快激光技术的快速发展，使得在飞秒时间分辨率条件下观测 载流子和晶格振动的单独动态过程成为可能，其中相干光学声子的激发和检测是相关研 [2] 究的热点之一 。 [3] De Silvestri 等 首先在α-perylene 中观测到相干光学声子，并得到振动衰减时间随 温度升高而下降的趋势。其后，不同课题组在Bi 和Sb[4] ，GaAs[5]，Bi Te [6]，Bi Se [7]， 2 3 2 3 Si[8] [9] [10] ，石墨 ，碳纳米管 等材料中都观测到了相干光学声子。不同材料的相干光学声 子具有各自不同的振动频率和振动衰减时间，通过改变泵浦光功率，观测到振动频率随 入射能量增大而减小（频谱红移），随延时时间增长而增大等现象[11] ；通过改变泵浦光 和探测光的偏振方向，可以控制原子振动的幅值[12] ；通过改变多束泵浦光之间的间隔时 间，实现振动的增强和消除[13] [14] ；采用各向异性测量技术得到非对称振动模式 ；利用相 干光学声子研究材料内部缺陷散射，测量得到光学声子振动衰减时间随缺陷密度增大而 减小[15] 。这些研究不仅揭示了相干光学声子的产生和传递机理，同时使得控制原子振动 和材料物性成为可能，例如可以进一步开发特殊的相变过程[16] [17]