Au / Ni / MgO: Wärmeübertragung im Nanomaßstab

Wissenschaftler unserer Zeit suchen wie vor hundert oder dreihundert Jahren ständig nach etwas Neuem. Jedes Mal, wenn eine neue Eigenschaft einer Substanz, eines Phänomens oder eines Prozesses entdeckt wird, suchen große Köpfe nach einer praktischen Anwendung dafür. Die heutige Forschung ist keine Ausnahme. Jeden Tag wächst die Datenmenge auf der Welt ständig. Weil die Entwicklung neuer Methoden zum Speichern von Informationen immer beliebter wird, wie Quantencomputer, Geräte, die auf Mikroorganismen basieren, usw. Die Basis möglicher Träger der Zukunft kann eine Vielzahl von Dingen sein, von Skyrmionen bis zu Photonen. Heute werden wir das Studium eines physikalischen Prozesses betrachten, der uns als Wärmeübertragung so vertraut ist, aber aus einem neuen Blickwinkel. Die ultraschnelle Wärmeübertragung in mehrschichtigen Nanometer-Metallstrukturen kann laut Wissenschaftlern als Grundlage für eine neue Technologie dienen. Warum hat dieser Prozess sie so sehr interessiert, und kann ihre laute Aussage wirklich als prophetisch angesehen werden? Der Bericht von Wissenschaftlern, in dem wir uns jetzt damit befassen, wird uns helfen, dies zu verstehen. Lass uns gehen.

Studienbasis

Das ultraschnelle Erhitzen und Abkühlen dünner Metallfilme ist ein grundlegender Aspekt bei der Untersuchung der Wechselwirkung von Photonen und Elektronen sowie der Wärmeübertragung im Nanobereich.

Das Interesse an der Temperatur und ihren Änderungen bei der optisch induzierten Femtosekunden-Entmagnetisierung war zuvor im Hinblick auf die Berücksichtigung der Mehrpulsumschaltung groß. Die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler wird auch auf die Energieflüsse in mehrschichtigen Metallen gelenkt, die durch optische Anregung entstehen, da sie eine wichtige Rolle bei der magnetischen Aufzeichnung unter Verwendung von Temperaturänderungen und beim vollständig optischen magnetischen Schalten spielen.

Es gab jedoch immer Schwierigkeiten, solche Phänomene in so kleinen Proben zu untersuchen. Um die Essenz der thermischen Energieflüsse besser zu verstehen, ist es notwendig, Zugang zur Temperatur des Molekülgitters selbst zu erhalten, das die wichtigste Rolle für die Wärmekapazität spielt.

Die Wissenschaftler stellten fest, dass die ultraschnelle Röntgenbeugung (UXRD) bei probenspezifischen Bragg- Winkeln * für solch komplexe Messungen hervorragend geeignet ist.

Bragg-Beugung * - das Phänomen der starken Streuung von Wellen bei bestimmten Einfallswinkeln und einer bestimmten Wellenlänge.

Dieses Verfahren ermöglicht Messungen der Mehrschichtstruktur, selbst wenn sich die Schichten unter einer opaken Beschichtungsschicht befinden oder ihre Dicke geringer ist als die Dicke der Oberflächenschicht. Es ist auch möglich, die Gitteränderungen jeder Schicht mit hoher Genauigkeit zu messen, wodurch es möglich ist, die in den Metallschichten freigesetzte Wärmemenge zu bestimmen.

Die UXRD-Methode wurde bereits zuvor verwendet, weist jedoch bestimmte Einschränkungen auf. Erstens betrug die zeitliche Auflösung ungefähr 100 ps, ​​was es uns ermöglichte, die Wärmeübertragung für kurze Zeit und in einer Entfernung von weniger als 100 nm zu untersuchen. In dieser Studie konnten Messungen in einem Abstand von ca. 5 nm durchgeführt werden.

Probe

Als Testprobe wurde eine zweischichtige Au / Ni- Probe verwendet, bei der die Dicke von Au (Gold) 5,6 nm betrug. und Ni (Nickel) beträgt 12,4 nm. MgO (Magnesiumoxid) wirkte als Substrat, da sein Reflexionskoeffizient 1 beträgt, d. H. MgO ist ein absoluter Reflektor.

Beobachtungen der Dynamik der Gitter der Au- und Ni-Schichten zeigten, dass sich das Ni-Gitter bereits nach 2 ps ausdehnt. Gleichzeitig bleibt das Au-Gitter kalt, selbst wenn der größte Teil des Lichts vom elektronischen Teilsystem dieser Schicht absorbiert wurde. Das Au-Gitter erwärmt sich ziemlich langsam und erreicht nach etwa 80 ps nach optischer Belichtung eine maximale Temperatur.

Der Relaxationsprozess * einer zweischichtigen Struktur ist 2 Größenordnungen langsamer als 1 Pikosekunde, was von früheren Berechnungen abweicht, und langsamer als die Standardzeit, um ein Elektron-Phonon-Gleichgewicht zu erreichen (τ ⁰ _Au = 1–5 ps).

Entspannung * ist der Prozess der Herstellung eines thermodynamischen Gleichgewichts in einem System.


Einer der Hauptfaktoren zur Erreichung des thermodynamischen Gleichgewichts ist das thermische Gleichgewicht. Was ist das im Video gezeigt (etwas ungeschickt, aber einfach und genau).

Für Wissenschaftler war ein ähnliches Ergebnis eine Überraschung. Sie erklären dies damit, dass der unausgeglichene Zustand zwischen den Elektronen und dem Au-Gitter in der Zweischichtstruktur länger anhält, als wenn Au eine einzelne Schicht des Systems darstellt. Die Untersuchungen des zweischichtigen Au-Pt-Systems halfen, dies zu verstehen.

Versuchsvorbereitung und Ergebnisse

Zur Anregung des elektronischen Systems Au (obere Schicht) und Ni wurde ein Femtosekundenlaser mit einer Wellenlänge von 400 und 800 nm verwendet.


Bild Nr. 1: Struktur der Probenschicht

Es ist zu beachten, dass bei einem Laserpuls mit einer Wellenlänge von 400 nm der Absorptionsgrad der Au- und Ni-Schichten ungefähr gleich ist, während die Au-Schicht bei 800 nm praktisch kein Licht absorbierte. Ein derart starker Unterschied ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Au-Schicht bei 400 nm einen signifikant höheren Brechungsindex aufweist. Bei einer Wellenlänge von 800 nm in der Au-Schicht (Dicke 5,6 nm) verringert die schädliche Interferenz des reflektierten Lichts den Absorptionsgrad.


Bild Nr. 2: experimentelle Daten

Bild 2a zeigt das Röntgenbeugungsmuster der Probe, das die kristalline Orientierung der Au- und Ni-Nanoschichten bestätigt. Die farbigen Linien zeigen die Übergangsverschiebungen der Bragg-Peaks zu ausgewählten Zeitpunkten: 2b für Au und 2c für Ni. Die weiße gestrichelte Linie ist der Achsenabstand von linear zur logarithmischen Zeitachse.


Bild 3: Thermodynamik von Schichten (Ni, Au) und Substraten (MgO)

Nun lohnt es sich, den Wärmeübertragungsprozess in der Versuchsprobe genauer zu betrachten. Wie zuvor erwähnt, ist es Ni, das sich anfänglich ausdehnt, während sich die Au-Schicht aufgrund der Ausdehnung der Ni-Schicht zusammenzieht. Nach 3 ps beginnt sich die Au-Schicht aktiv auszudehnen, wenn die Kompressionswelle aufgrund der Reflexion an der Oberfläche in eine Expansionswelle umgewandelt wird. Gleichzeitig werden auch unbedeutende Schwingungen der Verformungswelle in der Ni-Schicht beobachtet.

Nach einem Zeitstempel von 80 ps, ​​was eine ziemlich lange Zeit ist, erreicht Au seine maximale Ausdehnung durch Übertragung von Wärme von der Ni-Schicht, wenn die Temperaturen der beiden Schichten ungefähr gleich sind. Ferner beginnt bei etwa 100 ps der Abkühlungsprozess, wenn die Wärme bereits auf das Magnesiumoxidsubstrat übertragen wird.

Es konnte auch festgestellt werden, dass nach 20 ps ab Beginn des Prozesses die von Ni auf Au übertragene Wärmemenge gleich der auf das Substrat übertragenen Energiemenge ist.

Bereits nach 150 ps gelangt die Hälfte der Wärmeenergie des Zweischichtfilms in das Substrat. Die Wissenschaftler verstehen jedoch immer noch nicht, warum sich die ultradünne Au-Schicht aufgrund der für Metalle üblichen elektronischen Wärmeübertragung nicht viel schneller erwärmt. Und das „Austreten“ von Wärme in das Substrat liefert keine erschöpfenden Erklärungen.

Basierend auf jüngsten Studien zum Reflexionskoeffizienten der Wärmestrahlung haben Wissenschaftler ein fortschrittliches Zwei-Temperatur-Modell erstellt, mit dessen Hilfe die langsame Erwärmung von Au erklärt werden kann (Bild 3a ).


Zwei-Temperatur-Modell

Und jetzt in Ordnung. Elektronische Systeme Ni und Au erreichen aufgrund ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit sehr schnell ein Gleichgewicht. Bestätigung des schnellen Ausgleichs ist die Tatsache, dass in den ersten 2 ps die Au-Schicht bei 400 nm und bei 800 nm gleichermaßen komprimiert wird. Wenn es anders wäre, würde der hohe Elektronendruck in Au nach Einwirkung eines Strahls von 400 nm zu einer Kompression führen, die durch die Expansion von Ni verursacht wird.

Ein weiterer Beweis für das Gleichgewicht ist die folgende Aussage der Forscher: Wenn die Elektronen nicht in weniger als 1 ps das Gleichgewicht erreichen und dadurch dem elektronischen Au-System Wärme entziehen würden, würde eine derart starke Kompression von Au nicht beobachtet, da der Elektronendruck sofort zur Expansion von Au führen würde .

In Bezug auf die Elektronen-Photonen-Wechselwirkungskonstante ist sie in der Ni-Schicht viel größer als in Au. Fast die gesamte vom elektronischen System empfangene Photonenenergie wird an das Ni-Gitter gesendet. Und dies trotz der Tatsache, dass bei 400 nm ungefähr 1/3 der absorbierten Energie anfänglich in das elektronische Au-System eingeführt wurde.


Bild Nr. 4: Vergleich des Modells mit experimentellen Daten

Grafik 4a zeigt die Verformung (gestrichelte Linien), berechnet aus der durchschnittlichen Erwärmung der Schichten. Diese Berechnungen entsprechen dem in Bild 1b gezeigten Modell. Durchgezogene Linien sind jedoch Simulationen, die auf dem oben beschriebenen Modell basieren.

Fig. 4b ist eine Farbdarstellung der Dehnung als Funktion der Probentiefe und -zeit, konstruiert unter Berücksichtigung des Vorhandenseins einer räumlich gleichmäßigen vorübergehenden thermischen Spannung in den Schichten. Dieses Diagramm entspricht den gestrichelten Linien in Diagramm 4a.

In dem Bericht der Wissenschaftler werden die Details ihrer Forschung sowie die Berechnungsmethoden ausführlicher beschrieben. Ich empfehle daher dringend, dass Sie sich damit vertraut machen.

Nachwort

Diese Studie ermöglichte es, Wärmeübertragungsprozesse in einer Mehrschichtstruktur im Nanometerbereich zu untersuchen, was anschließend die Möglichkeit eröffnet, bestimmte Eigenschaften komplexer Legierungssysteme und Metallkombinationen genauer zu charakterisieren.

Au- und Ni-Elektronen zeigten die Fähigkeit, extrem schnell in den Gleichgewichtszustand einzutreten, was durch die Tatsache bestätigt wird, dass bei Belichtung eines Strahls von 400 nm und 800 nm zunächst nur in Ni eine Erwärmung auftritt, unabhängig von der von der Au-Schicht absorbierten Energie.

Bei 400 nm wurde der Prozess der Übertragung von Wärmeenergie zwischen Schichten (von einer Schicht zur anderen und umgekehrt) erfasst. Zunächst übertragen Elektronen schnell Energie von Au auf Ni, sodass ein Teil der Wärme von Ni-Photonen auf Au-Photonen zurück übertragen wird. Am Ende gelangt Wärme durch Ni zum Magnesiumoxidsubstrat.

Aufgrund der schwachen Elektron-Photon-Kopplung in Au wird die Energie, die von Ni-Photonen über Ni-Au-Elektronen auf das Au-Gitter übertragen wird, stark unterdrückt. Diese Studie wird definitiv einen starken Einfluss auf die zukünftige Untersuchung des Austauschs von Überdiffusionselektronen und der optischen Entmagnetisierung / Remagnetisierung haben.

Solche Arbeiten können und werden ein wichtiges Element bei der Verbesserung bestimmter Aspekte künftiger Technologien sein. Dies sind nur die ersten Schritte, aber das Potenzial liegt auf der Hand. Wenn Sie einer solchen Forschung nicht skeptisch gegenüberstehen und verstehen möchten, was andere für unwichtig halten, werden die Fortschritte viel schneller und effizienter voranschreiten.

Vielen Dank für Ihren Aufenthalt bei uns. Gefällt dir unser Artikel? Möchten Sie weitere interessante Materialien sehen? Unterstützen Sie uns, indem Sie eine Bestellung aufgeben oder Ihren Freunden empfehlen, einen Rabatt von 30% für Habr-Benutzer auf ein einzigartiges Analogon von Einstiegsservern, das wir für Sie erfunden haben: Die ganze Wahrheit über VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Kerne) 10 GB DDR4 240 GB SSD 1 Gbit / s von $ 20 oder wie teilt man den Server? (Optionen sind mit RAID1 und RAID10, bis zu 24 Kernen und bis zu 40 GB DDR4 verfügbar).

3 Monate kostenlos bei Bezahlung eines neuen Dell R630 für einen Zeitraum von sechs Monaten - 2 x Intel Deca-Core Xeon E5-2630 v4 / 128 GB DDR4 / 4 x 1 TB Festplatte oder 2 x 240 GB SSD / 1 Gbit / s 10 TB - ab 99,33 USD pro Monat , nur bis Ende August, Bestellung kann hier sein .

Dell R730xd 2 mal günstiger? Nur wir haben 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128 GB DDR4 6 x 480 GB SSD 1 Gbit / s 100 TV von 249 US-Dollar in den Niederlanden und den USA! Lesen Sie mehr über den Aufbau eines Infrastrukturgebäudes. Klasse mit Dell R730xd E5-2650 v4 Servern für 9.000 Euro für einen Cent?