Au / Ni / MgO: transfert de chaleur à l'échelle nanométrique

Les scientifiques de notre époque, comme il y a cent ou trois cents ans, sont constamment à la recherche de quelque chose de nouveau. Chaque fois qu'une nouvelle propriété d'une substance, d'un phénomène ou d'un processus est découverte, les grands esprits recherchent une application pratique pour cela. La recherche d'aujourd'hui ne fait pas exception. Chaque jour, la quantité de données dans le monde augmente constamment. Parce que le développement de nouvelles façons de stocker des informations est désormais dans le sillage de la popularité, comme les ordinateurs quantiques, les appareils à base de micro-organismes, etc. La base de porteurs possibles de l'avenir peut être une variété de choses, des skyrmions aux photons. Aujourd'hui, nous allons considérer l'étude d'un processus physique qui nous est si familier que le transfert de chaleur, mais sous un nouvel angle. Les transferts de chaleur ultrarapides dans les structures métalliques multicouches nanométriques peuvent servir de base à une nouvelle technologie, selon les scientifiques. Pourquoi ce processus leur a-t-il suscité autant d'intérêt et leur déclaration bruyante peut-elle vraiment être considérée comme prophétique? Le rapport des scientifiques, dans lequel nous nous y penchons maintenant, nous aidera à comprendre cela. Allons-y.

Base d'étude

Le chauffage et le refroidissement ultrarapides de films métalliques minces sont des aspects fondamentaux de l'étude de l'interaction des photons et des électrons, ainsi que du transfert de chaleur à l'échelle nanométrique.

L'intérêt pour la température et ses changements dans la démagnétisation femtoseconde induite optiquement était grand auparavant, compte tenu de la prise en compte de la commutation à impulsions multiples. De plus, l'attention des scientifiques est également attirée par les flux d'énergie dans les métaux multicouches, qui résultent de l'excitation optique, car ils jouent un rôle important dans le processus d'enregistrement magnétique à l'aide des changements de température et dans la commutation magnétique entièrement optique.

Cependant, il a toujours été difficile d'étudier de tels phénomènes dans de si petits échantillons. Afin de mieux comprendre l'essence des flux d'énergie thermique, il est nécessaire d'accéder à la température du réseau moléculaire lui-même, qui joue le rôle le plus important dans la capacité thermique.

Les scientifiques ont réalisé que la diffraction des rayons X ultra-rapide (UXRD) aux angles de Bragg spécifiques à l'échantillon * était excellente pour des mesures aussi complexes.

Diffraction de Bragg * - phénomène de forte diffusion des ondes à certains angles d'incidence et à une certaine longueur d'onde.

Cette méthode permet des mesures de la structure multicouche, même si les couches sont situées sous une couche de revêtement opaque ou si leur épaisseur est inférieure à l'épaisseur de la couche de surface. Il est également possible de mesurer les changements de réseau de chaque couche avec une grande précision, ce qui permet de déterminer la quantité de chaleur libérée dans les couches métalliques.

La méthode UXRD a déjà été utilisée auparavant, mais elle a certaines limites. Tout d'abord, la résolution temporelle était d'environ 100 ps, ​​ce qui nous a permis d'étudier le transfert de chaleur pendant une courte période et à une distance inférieure à 100 nm. Dans cette étude, il a été possible de réaliser des mesures à une distance d'environ 5 nm.

Échantillon

Comme échantillon d'essai, un échantillon Au / Ni à deux couches a été utilisé, dans lequel l'épaisseur d'Au (or) était de 5,6 nm. et Ni (nickel) est de 12,4 nm. Le MgO (oxyde de magnésium) a agi comme un substrat, car son coefficient de réflexion est 1, c'est-à-dire que MgO est un réflecteur absolu.

Les observations de la dynamique des réseaux des couches Au et Ni ont montré qu'après seulement 2 ps, le réseau Ni se dilate. Dans le même temps, le réseau Au reste froid, même si la majeure partie de la lumière a été absorbée par le sous-système électronique de cette couche. Le réseau Au se réchauffe assez lentement, atteignant une température maximale après environ 80 ps après exposition optique.

Le processus de relaxation * d'une structure à deux couches est de 2 ordres de grandeur plus lent que 1 picoseconde, qui diffère des calculs précédents, et plus lent que le temps standard pour atteindre l'équilibre électron-phonon (τ ⁰ _Au = 1–5 ps).

La relaxation * est le processus d'établissement de l'équilibre thermodynamique dans un système.


L'un des principaux facteurs permettant d'atteindre l'équilibre thermodynamique est l'équilibre thermique. Qu'est-ce que cela montre dans la vidéo (un peu maladroit, mais simple et précis).

Pour les scientifiques, un résultat similaire a été une surprise. Ils expliquent cela par le fait que l'état déséquilibré entre les électrons et le réseau Au dure plus longtemps dans la structure à deux couches que si Au constituait une seule couche du système. Les études du système Au - Pt à deux couches ont aidé à comprendre cela.

Préparation et résultats de l'expérience

Pour exciter le système électronique Au (couche supérieure) et Ni, un laser femtoseconde d'une longueur d'onde de 400 et 800 nm a été utilisé.


Image n ° 1: exemple de structure de couche

Il convient de noter qu'avec une impulsion laser d'une longueur d'onde de 400 nm, le degré d'absorption des couches Au et Ni est approximativement le même, tandis qu'à 800 nm, la couche Au n'absorbait pratiquement pas la lumière. Une telle différence est due au fait qu'à 400 nm, la couche Au a un indice de réfraction significativement plus élevé. À une longueur d'onde de 800 nm dans la couche Au (épaisseur 5,6 nm), l'interférence nuisible de la lumière réfléchie réduit le degré d'absorption.


Image n ° 2: données expérimentales

L'image 2a montre le diagramme de diffraction des rayons X de l'échantillon, ce qui confirme l'orientation cristalline des nanocouches Au et Ni. Les lignes colorées montrent les décalages transitoires des pics de Bragg à des instants de temps sélectionnés: 2b pour Au et 2c pour Ni. La ligne pointillée blanche est l'écart d'axe de linéaire à la chronologie logarithmique.


Image 3: thermodynamique des couches (Ni, Au) et des substrats (MgO)

Il convient maintenant d'examiner plus en détail le processus de transfert de chaleur dans l'échantillon expérimental. Comme mentionné précédemment, c'est Ni qui se dilate initialement, tandis que la couche Au se contracte à cause de l'expansion de la couche Ni. Après 3 ps, la couche Au commence à se dilater activement lorsque l'onde de compression est transformée en une onde d'expansion due à la réflexion sur la surface. Dans le même temps, des vibrations insignifiantes de l'onde de déformation dans la couche de Ni sont également observées.

Après un horodatage de 80 ps, ​​ce qui est assez long, Au atteint son expansion maximale en transférant la chaleur de la couche de Ni, lorsque les températures des deux couches sont approximativement égales. De plus, à environ 100 ps, ​​le processus de refroidissement commence, lorsque la chaleur est déjà transférée au substrat d'oxyde de magnésium.

Il a également été possible de déterminer qu'après 20 ps depuis le début du processus, la quantité d'énergie thermique transférée de Ni à Au est égale à la quantité d'énergie transférée au substrat.

Déjà après 150 ps, ​​la moitié de l'énergie thermique du film à deux couches passe dans le substrat. Cependant, les scientifiques ne comprennent toujours pas pourquoi la couche ultra mince d'Au ne chauffe pas beaucoup plus rapidement en raison du transfert de chaleur électronique, ce qui est assez courant pour les métaux. Et la «fuite» de chaleur dans le substrat ne fournit pas d'explications exhaustives.

Sur la base d'études récentes sur le coefficient de réflexion du rayonnement thermique, les scientifiques ont créé un modèle avancé à deux températures qui aidera à expliquer le chauffage lent de l'Au (image 3a ).


Modèle à deux températures

Et maintenant en ordre. Les systèmes électroniques Ni et Au atteignent très rapidement l'équilibre en raison de leur conductivité électrique élevée. La confirmation d'un équilibrage rapide est le fait que dans les 2 premiers ps, la couche d'Au est également compressée à 400 nm et à 800 nm. S'il en était autrement, la haute pression électronique en Au après exposition à un faisceau de 400 nm entraînerait une compression causée par l'expansion du Ni.

Une autre preuve d'équilibre est la déclaration suivante des chercheurs: si les électrons n'atteignaient pas l'équilibre en moins de 1 ps et éliminaient ainsi la chaleur du système électronique Au, alors une compression aussi forte d'Au ne serait pas observée, car la pression électronique conduirait immédiatement à l'expansion d'Au .

Concernant la constante d'interaction électron-photon, elle est beaucoup plus importante dans la couche de Ni que dans Au. La quasi-totalité de l'énergie photonique reçue par le système électronique est envoyée au réseau Ni. Et cela malgré le fait qu'à 400 nm environ 1/3 de l'énergie absorbée a été initialement introduite dans le système électronique Au.


Image n ° 4: comparaison du modèle avec des données expérimentales

Le graphique 4a montre la déformation (lignes pointillées) calculée à partir du chauffage moyen des couches. Ces calculs correspondent au modèle présenté sur l'image 1b. Mais les lignes pleines sont des simulations basées sur le modèle décrit ci-dessus.

4b est une représentation en couleur de la déformation en fonction de la profondeur et du temps de l'échantillon, construite en tenant compte de la présence d'une contrainte thermique transitoire spatialement uniforme dans les couches. Ce graphique correspond aux lignes pointillées du graphique 4a.

Le rapport des scientifiques a décrit plus en détail les détails de leurs recherches, ainsi que les méthodes de calcul, donc je vous recommande fortement de vous familiariser avec cela.

Épilogue

Cette étude a permis d'étudier les processus de transfert de chaleur dans une structure multicouche au niveau nanométrique, ce qui ouvre par la suite la possibilité de caractériser plus en détail certaines propriétés de systèmes complexes d'alliages et de combinaisons de métaux.

Les électrons Au et Ni ont montré leur capacité à entrer dans l'état d'équilibre extrêmement rapidement, ce qui est confirmé par le fait que, lorsqu'un faisceau de 400 nm et 800 nm est exposé, le chauffage ne se produit initialement que dans Ni, quelle que soit l'énergie absorbée par la couche Au.

À 400 nm, le processus de transfert d'énergie thermique entre les couches (d'une couche à l'autre et vice versa) a été détecté. Au début, les électrons transfèrent rapidement l'énergie d'Au vers Ni, donc une partie de la chaleur est retransférée des photons Ni aux photons Au. En fin de compte, la chaleur traverse Ni au substrat d'oxyde de magnésium.

En raison du faible couplage électron-photon dans Au, l'énergie transférée des photons Ni par les électrons Ni et Au au réseau Au est fortement supprimée. Cette étude aura certainement un fort impact sur la future étude de l'échange d'électrons de surdiffusion et de démagnétisation / remagnétisation optique.

Ces travaux peuvent devenir et deviendront un élément important pour améliorer certains aspects des technologies futures. Ce ne sont que les premières étapes, mais le potentiel est évident. Si vous n'êtes pas sceptique à l'égard de telles recherches et que vous souhaitez comprendre ce que les autres considèrent comme non important, les progrès progresseront beaucoup plus rapidement et plus efficacement.

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