Au / Ni / MgO: transfer panas berskala nano

Ilmuwan zaman kita, seperti seratus atau tiga ratus tahun yang lalu, terus-menerus mencari sesuatu yang baru. Setiap kali properti baru dari suatu zat, fenomena atau proses ditemukan, para pemikir besar mencari aplikasi praktis untuk ini. Penelitian hari ini tidak terkecuali. Setiap hari, jumlah data di dunia terus bertambah. Karena pengembangan cara-cara baru untuk menyimpan informasi sekarang sedang populer, seperti komputer kuantum, perangkat berbasis mikroorganisme, dll. Dasar kemungkinan pembawa masa depan bisa bermacam-macam, mulai dari skyrmion hingga foton. Hari ini kita akan mempertimbangkan studi tentang proses fisik yang begitu akrab bagi kita sebagai perpindahan panas, tetapi dari sudut pandang baru. Transfer panas ultrafast dalam struktur logam multilayer nanometer dapat berfungsi sebagai dasar untuk teknologi baru, kata para ilmuwan. Mengapa proses ini yang menyebabkan mereka begitu tertarik, dan bisakah pernyataan keras mereka benar-benar dianggap profetik? Laporan para ilmuwan, yang sekarang kita selidiki, akan membantu kita memahami hal ini. Ayo pergi.

Dasar studi

Pemanasan ultra-cepat dan pendinginan film logam tipis merupakan aspek mendasar dalam mempelajari interaksi foton dan elektron, serta transfer panas pada skala skala nano.

Ketertarikan pada temperatur dan perubahannya dalam demagnetisasi femtosecond yang diinduksi secara optikal adalah sangat baik sebelumnya, mengingat pertimbangan perpindahan multi-pulsa. Selain itu, perhatian para ilmuwan juga tertarik oleh aliran energi dalam logam multilayer, yang muncul karena eksitasi optik, karena mereka memainkan peran penting dalam proses perekaman magnetik menggunakan perubahan suhu dan dalam peralihan magnetik sepenuhnya optik.

Namun, selalu ada kesulitan dalam mempelajari fenomena tersebut dalam sampel sekecil itu. Untuk lebih memahami esensi aliran energi panas, perlu untuk mendapatkan akses ke suhu kisi molekul itu sendiri, yang memainkan peran paling penting dalam kapasitas panas.

Para ilmuwan menyadari bahwa difraksi sinar-X ultra-cepat (UXRD) pada sudut Bragg spesifik sampel * sangat baik untuk pengukuran yang kompleks.

Difraksi Bragg * - fenomena hamburan gelombang yang kuat pada sudut-sudut kejadian tertentu dan panjang gelombang tertentu.

Metode ini memungkinkan pengukuran struktur multilayer, bahkan jika lapisan-lapisan tersebut ditempatkan di bawah lapisan pelapis buram atau ketebalannya kurang dari ketebalan lapisan permukaan. Dimungkinkan juga untuk mengukur perubahan kisi dari setiap lapisan dengan akurasi tinggi, yang memungkinkan untuk menentukan jumlah panas yang dilepaskan di lapisan logam.

Metode UXRD telah digunakan sebelumnya, tetapi memiliki batasan tertentu. Pertama, resolusi temporal sekitar 100 ps, ​​yang memungkinkan kami mempelajari perpindahan panas untuk waktu yang singkat dan pada jarak kurang dari 100 nm. Dalam studi ini, adalah mungkin untuk mencapai pengukuran pada jarak sekitar 5 nm.

Sampel

Sebagai sampel uji, sampel Au / Ni dua lapis digunakan, di mana ketebalan Au (emas) adalah 5,6 nm. dan Ni (nikel) adalah 12,4 nm. MgO (magnesium oksida) bertindak sebagai substrat, karena koefisien pantulannya adalah 1, yaitu, MgO adalah reflektor absolut.

Pengamatan dinamika kisi-kisi lapisan Au dan Ni menunjukkan bahwa setelah hanya 2 ps, kisi Ni mengembang. Pada saat yang sama, kisi Au tetap dingin, bahkan jika sebagian besar cahaya diserap oleh subsistem elektronik dari lapisan ini. Au lattice memanas agak lambat, mencapai suhu maksimum setelah sekitar 80 ps setelah paparan optik.

Proses relaksasi * dari struktur dua lapis adalah 2 orde besarnya lebih lambat dari 1 picosecond, yang menyimpang dari perhitungan sebelumnya, dan lebih lambat dari waktu standar untuk mencapai kesetimbangan elektron-fonon (τ ⁰ _Au = 1-5 ps).

Relaksasi * adalah proses membangun keseimbangan termodinamika dalam suatu sistem.


Salah satu faktor utama untuk mencapai kesetimbangan termodinamika adalah kesetimbangan termal. Apa ini ditunjukkan dalam video (agak canggung, tetapi sederhana dan akurat).

Bagi para ilmuwan, hasil yang sama mengejutkan. Mereka menjelaskan hal ini dengan fakta bahwa keadaan tidak seimbang antara elektron dan kisi Au bertahan lebih lama dalam struktur dua lapis daripada jika Au merupakan lapisan tunggal dari sistem. Studi tentang sistem Au - Pt dua lapis membantu untuk memahami hal ini.

Persiapan dan Hasil Eksperimen

Untuk menggairahkan sistem elektronik Au (lapisan atas) dan Ni, laser femtosecond dengan panjang gelombang 400 dan 800 nm digunakan.


Gambar No. 1: struktur lapisan sampel

Perlu dicatat bahwa dengan pulsa laser dengan panjang gelombang 400 nm, tingkat penyerapan lapisan Au dan Ni kira-kira sama, sedangkan pada 800 nm lapisan Au praktis tidak menyerap cahaya. Perbedaan yang kuat tersebut disebabkan oleh fakta bahwa pada 400 nm lapisan Au memiliki indeks bias yang jauh lebih tinggi. Pada panjang gelombang 800 nm di lapisan Au (ketebalan 5,6 nm), gangguan berbahaya dari cahaya yang dipantulkan mengurangi tingkat penyerapan.


Gambar No. 2: data eksperimental

Gambar 2a menunjukkan pola difraksi sinar-X dari sampel, yang menegaskan orientasi kristal nanolayer Au dan Ni. Garis-garis berwarna menunjukkan pergeseran transisi puncak Bragg pada contoh waktu yang dipilih: 2b untuk Au dan 2c untuk Ni. Garis putus-putus putih adalah celah sumbu dari linear ke timeline logaritmik.


Gambar 3: termodinamika lapisan (Ni, Au) dan substrat (MgO)

Sekarang bermanfaat untuk mempertimbangkan secara lebih rinci proses perpindahan panas dalam sampel eksperimental. Seperti yang disebutkan sebelumnya, itu adalah Ni yang awalnya mengembang, sementara lapisan Au berkontraksi karena perluasan lapisan Ni. Setelah 3 ps, lapisan Au mulai berkembang secara aktif ketika gelombang kompresi ditransformasikan menjadi gelombang ekspansi karena refleksi di permukaan. Pada saat yang sama, getaran tidak signifikan dari gelombang deformasi pada lapisan Ni juga diamati.

Setelah cap waktu 80 ps, ​​yang merupakan waktu yang cukup lama, Au mencapai ekspansi maksimumnya dengan mentransfer panas dari lapisan Ni, ketika suhu kedua lapisan tersebut kira-kira sama. Selanjutnya, pada sekitar 100 ps, ​​proses pendinginan dimulai, ketika panas sudah ditransfer ke substrat magnesium oksida.

Itu juga mungkin untuk menentukan bahwa setelah 20 ps dari awal proses, jumlah energi panas yang ditransfer dari Ni ke Au sama dengan jumlah energi yang ditransfer ke substrat.

Sudah setelah 150 ps, ​​setengah dari energi termal dari film dua lapisan masuk ke substrat. Namun, para ilmuwan masih tidak mengerti mengapa lapisan Au ultrathin tidak memanas lebih cepat karena perpindahan panas elektronik, yang sangat umum untuk logam. Dan "kebocoran" panas ke substrat tidak memberikan penjelasan lengkap.

Berdasarkan studi terbaru dari koefisien refleksi radiasi termal, para ilmuwan telah menciptakan model dua suhu canggih yang akan membantu menjelaskan pemanasan lambat Au (gambar 3a ).


Model dua suhu

Dan sekarang dalam rangka. Sistem elektronik Ni dan Au sangat cepat mencapai keseimbangan karena konduktivitas listriknya yang tinggi. Konfirmasi penyeimbangan cepat adalah kenyataan bahwa pada 2 ps pertama, lapisan Au sama-sama dikompresi pada 400 nm dan pada 800 nm. Jika tidak, maka tekanan elektron tinggi di Au setelah paparan sinar 400 nm akan menyebabkan kompresi yang disebabkan oleh ekspansi Ni.

Bukti lain dari keseimbangan adalah pernyataan berikut dari para peneliti: jika elektron tidak mencapai keseimbangan dalam waktu kurang dari 1 ps dan dengan demikian menghilangkan panas dari sistem elektronik Au, maka kompresi Au yang kuat seperti itu tidak akan diamati, karena tekanan elektron akan segera mengarah pada perluasan Au .

Mengenai konstanta interaksi elektron-foton, itu jauh lebih besar di lapisan Ni daripada di Au. Hampir semua energi foton yang diterima oleh sistem elektronik dikirim ke Ni lattice. Dan terlepas dari kenyataan bahwa pada 400 nm sekitar 1/3 dari energi yang diserap pada awalnya dimasukkan ke dalam sistem elektronik Au.


Gambar No. 4: perbandingan model dengan data eksperimen

Grafik 4a menunjukkan deformasi (garis putus-putus) yang dihitung dari rata-rata pemanasan lapisan. Perhitungan ini sesuai dengan model yang ditunjukkan pada gambar 1b. Tapi garis solid adalah simulasi yang didasarkan pada model yang dijelaskan di atas.

4b adalah representasi warna dari regangan sebagai fungsi dari kedalaman dan waktu sampel, dibangun dengan mempertimbangkan adanya tegangan termal transien seragam seragam dalam lapisan. Grafik ini sesuai dengan garis putus-putus pada grafik 4a.

Laporan para ilmuwan menggambarkan secara lebih rinci perincian penelitian mereka, serta metode perhitungan, oleh karena itu saya sangat menyarankan agar Anda membiasakan diri dengannya.

Epilog

Studi ini memungkinkan untuk mempelajari proses perpindahan panas dalam struktur multilayer pada tingkat nanometer, yang selanjutnya membuka kemungkinan untuk mengkarakterisasi sifat-sifat tertentu yang lebih rinci dari sistem kompleks paduan dan kombinasi logam.

Elektron Au dan Ni menunjukkan kemampuan untuk memasuki keadaan kesetimbangan dengan sangat cepat, yang dikonfirmasi oleh fakta bahwa, ketika seberkas 400 nm dan 800 nm terpapar, awalnya pemanasan hanya terjadi pada Ni, terlepas dari energi yang diserap oleh lapisan Au.

Pada 400 nm, proses transfer energi termal antar lapisan (dari satu lapisan ke lapisan lainnya dan sebaliknya) terdeteksi. Pada awalnya, elektron dengan cepat mentransfer energi dari Au ke Ni, sehingga sebagian panas ditransfer kembali dari foton Ni ke foton Au. Pada akhirnya, panas melewati Ni ke substrat magnesium oksida.

Karena kopling elektron-foton yang lemah di Au, energi yang ditransfer dari foton Ni melalui elektron Ni dan Au ke kisi Au sangat ditekan. Studi ini pasti akan memiliki efek yang kuat pada studi masa depan pertukaran elektron overdiffusion dan demagnetisasi / remagnetisasi optik.

Pekerjaan semacam itu dapat dan akan menjadi elemen penting dalam meningkatkan aspek-aspek tertentu dari teknologi masa depan. Ini hanya langkah pertama, tetapi potensinya jelas. Jika Anda tidak skeptis dengan penelitian semacam itu dan ingin memahami apa yang orang lain anggap tidak penting, kemajuan akan meningkat jauh lebih cepat dan lebih efisien.

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

3 bulan gratis ketika membayar untuk Dell R630 baru untuk jangka waktu enam bulan - 2 x Intel Deca-Core Xeon E5-2630 v4 / 128GB DDR4 / 4x1TB HDD atau 2x240GB SSD / 1Gbps 10 TB - dari $ 99,33 sebulan , hanya sampai akhir Agustus, pesan bisa disini

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?