Диссертация (1145320), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Таким образом, в системе0.4Na2O-0.5P2O5-0.1Nb2O3 в условиях градиента температуры наблюдаетсядиффузия ионов натрия в «горячую» сторону.Полученныеданныепротиворечатрасчетнымданнымсогласнотермодиффузионной модели. Таким образом, модель термодиффузии ионов неописываетнаблюдаемыеэкспериментальнорезультатыобъемныхконцентрацийионовниобиялитияивперераспределенияусловияхлазерно-индуцированной фотоионизации.По всей видимости, несоответствие экспериментальных результатов ирасчетных кривых заключается в том, что модель термодиффузии не учитываетвозникающего в образцах стекол разделения заряда после фотоионизации лазеромматрицы стекла, следствием которого является возникновение локальногоградиента потенциала.
Таким образом, необходимо учитывать диффузию ионовпод воздействием электростатического поля, формируемого в результате164объемного разделения зарядов, для чего необходимо определить временныеграницы процессов фотоионизации, диффузииэлектронов ирелаксациивозбужденной электронной подсистемы.В модели термодиффузии начальным условием является распределениетемпературы в объеме стекла после воздействия лазерным излучением. При этомне принимается во внимание миграция электронов, а берется за начальноеусловиерезультатвзаимодействияэлектроновсфононами–гауссовораспределение температуры.
Исследование процессов диффузии электронов вдиэлектриках и взаимодействия с атомной подсистемой является сложной задачейв таких многокомпонентных системах, как ниобофосфатные щелочные стекла. Сдругой стороны, известно, что образование большого количества электроновпроводимости приводит к локальной металлизации диэлектрика и процессыэлектрон-решеточной релаксации могут быть описаны законами, применяемыми кметаллическим образцам [242]. Поэтому, кинетика взаимодействия возбужденнойэлектронной подсистемы с атомной подсистемой в системах с зонным спектромисследовалась в данной работе на модельных образцах (монокристаллическихпленках гадолиния и тербия), что позволяет оценить временные границывзаимодействия электронов в зоне проводимости с электронами и фононами.5.4 Взаимодействие возбужденной электронной подсистемы с решеткойЛазерное возбуждение поверхности твердого тела может приводить кгенерации электрон-дырочных пар, которые термализуются за счет электронэлектронного (дырочно-дырочного) рассеяния и приходят в термодинамическоеравновесие с решеткой за счет электрон-фононного рассеяния.
Исследованиединамики взаимодействия возбужденной электронной подсистемой с фононами имагнонами проводилось при помощи метода магнито-возбужденной оптическойгенерации второй гармоники с временным разрешением. Метод позволяетвыделить вклад фононов и спина в динамику затухания возбужденного состояния165электронной подсистемы на поверхности магнитного материала. В качествемагнитных материалов использовались монокристаллические пленки Gd (0001) иTb (0001) [243–245].Высокочистые пленки Gd (0001) и Tb (0001) выращивались эпитаксиальнона поверхности монокристалла W (110), помещенного на держателе гелиевогокриостата. Подложка предварительно отжигалась в атмосфере кислорода припарциальном давлении 10-5 Па при температуре 1600 К в течение 45 мин споследующим быстрым нагревом до 2100 К для предотвращения загрязненияуглеродом и серой.
Процедура отжига повторялась несколько раз и предваряласоздание каждой новой пленки. Пленки Gd и Tb толщиной 10-20 нмформировались на поверхности подложки методом термического напыления изтигля со скоростью 5-6 Å/мин. Толщина пленок контролировалась при помощикварцевых микровесов. Напыление пленок осуществлялось при температуреподложки 330 К, затем проводился отжиг при температуре 700 К в течение 10мин, во время которого формировались эпитаксиальные ферромагнитные пленки.Схема измерения ГВГ с временным разрешением представлена на рисунке2.4. Типичные результаты по экспериментальному определению «четных» и«нечетных» компонент ВГ с временным разрешением представлены на рисунке5.22а.
В верхней части рисунка 5.22а представлена кривая временной зависимости«четной», в нижней – «нечетной» компоненты ВГ, полученные с использованиемвыражений (2.6) и (2.7) соответственно. Разностные изменения линейногокоэффициента отражения представлены в верхней части рисунка 5.22а (чернаясплошная линия).166Рисунок 5.22 – (а) Временная зависимость «четной» (верхний график) и«нечетной» (нижний график) компонент ГВГ, полученный длямонокристаллической пленки Gd(0001) толщиной 20 нм при температуре 90 К сиспользованием лазерных импульсов с длиной волны 815 нм и длительностью 35фс. (б) Когерентная часть «четной» и «нечетной» компонент ВГ, полученные изкривых (а) путем сглаживания и вычитания некогерентного фонового сигнала.
Навставке представлены результаты соответствующих Фурье преобразований.На рисунке 5.22а хорошо видны происходящие в течение 3 пс послевозбуждения электронной подсистемы когерентные и некогерентные процессы,приводящие к осциллирующему и неосциллирующему вкладу в изменениесигнала ВГ соответственно. Коэффициент линейного отражения растет ивыходит на насыщение через 2 пс, что согласуется с хорошо известнымпроцессом образования так называемых «горячих» электронов за счет электронэлектронного взаимодействия и последующим выходом в равновесное состояниес решеткой за счет электрон-фононного взаимодействия [245].
Образование167«горячих» электронов отражается в быстром (порядка 100 фс) росте значения∆/. Далее скорость изменения ∆/ уменьшается благодаря уменьшениютемпературы «горячих» электронов и росту температуры решетки в результатеэлектрон-фононного взаимодействия. Подобная зависимость наблюдается и длянекогерентной части ∆ (). Поскольку кривая ∆ () повторяет тенденциивременной зависимости, характерные для линейного отражения, следовательно,некогерентный вклад связан с изменением «нечетной» компоненты ВГ приэлектрон-фононном взаимодействии.Поведение разностной «четной» компоненты ВГ сильно отличается от«нечетной» и демонстрирует сверхбыстрый скачок (в пределах разрешающейспособностиисследуемогоэкспериментальнойобразцапримерноустановки)до50намагниченности%величины,поверхностисоответствующейравновесному состоянию. Далее некогерентная часть ∆ () уменьшается доприблизительно 40 % равновесной величины и стабилизируется на данном уровнена время более чем 50 пс.
Восстановление ∆ () к уровню, который наблюдалсядо прихода импульса «возбуждения», происходит за время около 500 пс.Когерентная составляющая связана с резонансным взаимодействием спин-поляризованных электронов с магнонами. При таком взаимодействии электронытеряют когерентность за время порядка 3 пс (рисунок 5.22). Полученное значениекоррелирует со временем взаимодействия электронов с фононами, при которомэлектронная подсистема выходит в термодинамическое квази-равновесие.Обобщая результаты по исследованию временных характеристик эволюциилазерно-индуцированнойвозбужденнойэлектроннойподсистемы,можнообозначить следующие временные интервалы:1.
электрон-электронное рассеяние происходит за времена порядка сотенфемтосекунд с образованием «горячих» электронов;2. электрон-фононное взаимодействие, сопровождающееся передачей энергииот электронной подсистемы – матрице и достижением состояниятермодинамического квази-равновесия, проходит за несколько пикосекунд.1683. Состояниетермодинамическогоквази-равновесиядлитсядесяткипикосекунд.4. Вся система релаксирует к исходному состоянию за единицы наносекунд.5.5 Лазерно-индуцированная диффузия ионов в системах с зонных спектром,как результат пространственного разделения зарядов и температурногоградиентаИспользуяданныеовремениэлектрон-электронногорассеянияивзаимодействия возбужденной электронной подсистемы с решеткой в даннойработепредлагаетсямодель,учитывающаяитемпературныйградиент,обуславливающий термодиффузию ионов в матрице стекла, и градиентпотенциала при лазерно-индуцированном пространственном разделении заряда.Процесс миграции ионов лития и ниобия в неупорядоченной полимернойфосфатной матрице под воздействием фемтосекундными лазерными импульсамирассмотрен с точки зрения совокупности эффектов пространственного разделениязаряда и температурного градиента.Пространственное разделение зарядов формируется в результате локальнойфотоионизации стекла и быстрого (за времена порядка сотен фемтосекунд)перераспределения электронов.
При этом для электронов расстояния в десяткимикрометров легко преодолеваются даже при отсутствии температурногоградиента. Подтверждением служит результат модельного эксперимента полинейной фотоионизации фосфатных стекол с серебром при облучениинепрерывным слабоинтенсивным лазерным излучением (гелий-кадмиевый лазер,длина волны 325 нм, мощность 10 мВт, диаметр фокального пятна 1 мкм).
Нарисунке 5.23 представлены микрофотографии лазерного пятна (а), поверхностистекла состава 0.5Ag2O–0.4P2O5–0.1Nb2O5 (б), и распределение серебра поповерхности (в), измеренное методом спектроскопии энергетической дисперсии.169Температура в центре фокального пятна лазерного излучения не превышала 3градусов выше комнатной.Рисунок 5.23 – Линейная фотоионизация поверхности стекла состава 0.5Ag2O–0.4P2O5–0.1Nb2O5. (а) микрофотография пятна лазерного излучения, (б)микрофотография образца стекла после облучения в течение 10 мин, (в)распределение серебра вдоль линии АБ.Из рисунка 5.23 видно, что за пределами фокального пятна лазерногоизлучения происходит восстановление серебра с образованием наночастиц.
Такимобразом, демонстрируются результаты явления переноса заряда за пределыобласти стекла, в которой происходит фотоионизация: свободные электронывосстанавливают серебро до металлического состояния. Диффузия самих ионовсеребра из фокальной области в данном эксперименте не обнаружена, посколькуколичество серебра у поверхности в области лазерного воздействия и запределами области формирования наночастиц одинаковое (рисунок 5.23в).При описании диффузии ионов в условиях градиента потенциала в качественачальных условий принимается гауссово распределение электронов и катионов,образовавшихся в фокальной области лазерного излучения в результатемногофотонной фотоионизации за время действия лазерного импульса. Примерподобного распределения представлен на рисунке 5.24а, где синяя линия –пространственное распределение отрицательного заряда (электронов), а красная –положительного заряда (катионов лития) в центросимметричной системекоординат. После электрон-электронного рассеяния, проходящего за сотни170фемтосекунд, электронное облако, состоящее из электронов проводимости,перераспределяется по гауссу с площадью, равной площади первоначальногораспределения, но с большей полушириной (рисунок 5.24б).
Далее в течениенескольких пикосекунд электроны взаимодействуют с фононами, передаваяэнергию решетке и увеличивая ее энергию. Гауссово распределение электроновопределяет гауссову форму распределения температуры, принимаемой заначальное распределение в модели термодиффузии элементов стекла. Сумма двухгауссовыхраспределенийположительногоиотрицательногозарядовдемонстрирует объемное состояние с разделенными зарядами вблизи фокальнойобласти лазерного излучения (рисунок 5.24в).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
