Au / Ni / MgO: transferência de calor em nanoescala

Os cientistas de nosso tempo, como cem ou trezentos anos atrás, estão constantemente procurando algo novo. Toda vez que uma nova propriedade de uma substância, fenômeno ou processo é descoberta, grandes mentes buscam uma aplicação prática para isso. A pesquisa de hoje não é exceção. Todos os dias, a quantidade de dados no mundo está em constante crescimento. Porque o desenvolvimento de novas maneiras de armazenar informações está agora na esteira da popularidade, como computadores quânticos, dispositivos baseados em microorganismos etc. A base de possíveis portadores do futuro pode ser uma variedade de coisas, de skyrmions a fótons. Hoje consideraremos o estudo de um processo físico tão familiar para nós como a transferência de calor, mas sob um novo ângulo. A transferência ultra-rápida de calor em estruturas metálicas de nanômetros multicamadas pode servir de base para uma nova tecnologia, dizem os cientistas. Por que foi esse processo que lhes causou tanto interesse e sua declaração alta pode realmente ser considerada profética? O relatório dos cientistas, no qual agora nos aprofundamos, nos ajudará a entender isso. Vamos lá

Base de estudo

O aquecimento e o resfriamento ultra-rápidos de filmes finos de metal são aspectos fundamentais no estudo da interação de fótons e elétrons, bem como na transferência de calor em escala nano-escala.

O interesse pela temperatura e suas alterações na desmagnetização do femtossegundo induzido opticamente era grande antes, tendo em vista a consideração da comutação por múltiplos pulsos. Além disso, a atenção dos cientistas também é atraída pelos fluxos de energia em metais multicamadas, que surgem devido à excitação óptica, uma vez que desempenham um papel importante no processo de gravação magnética usando mudanças de temperatura e em comutação magnética completamente óptica.

No entanto, sempre houve dificuldades no estudo desses fenômenos em amostras tão pequenas. Para entender melhor a essência dos fluxos de energia térmica, é necessário obter acesso à temperatura da própria estrutura molecular, que desempenha o papel mais importante na capacidade térmica.

Os cientistas perceberam que a difração de raios X ultra-rápida (UXRD) em ângulos de Bragg * específicos da amostra * era excelente para medições tão complexas.

Difração de Bragg * - o fenômeno de forte dispersão das ondas em certos ângulos de incidência e um certo comprimento de onda.

Este método permite medições da estrutura multicamada, mesmo se as camadas estiverem localizadas sob uma camada de revestimento opaca ou sua espessura for menor que a espessura da camada superficial. Também é possível medir as alterações da rede de cada camada com alta precisão, o que possibilita determinar a quantidade de calor liberado nas camadas de metal.

O método UXRD já foi usado antes, mas possui certas limitações. Primeiro, a resolução temporal era de aproximadamente 100 ps, ​​o que nos permitiu estudar a transferência de calor por um curto período de tempo e a uma distância inferior a 100 nm. Neste estudo, foi possível realizar medições a uma distância de cerca de 5 nm.

Amostra

Como amostra de teste, foi utilizada uma amostra de Au / Ni de duas camadas, na qual a espessura de Au (ouro) era de 5,6 nm. e Ni (níquel) é 12,4 nm. O MgO (óxido de magnésio) atuou como substrato, uma vez que seu coeficiente de reflexão é 1, ou seja, o MgO é um refletor absoluto.

Observações da dinâmica das redes das camadas Au e Ni mostraram que, após apenas 2 ps, a rede de Ni se expande. Ao mesmo tempo, a rede Au permanece fria, mesmo que a maior parte da luz tenha sido absorvida pelo subsistema eletrônico dessa camada. A rede Au aquece lentamente, atingindo uma temperatura máxima após cerca de 80 ps após a exposição óptica.

O processo de relaxamento * de uma estrutura de duas camadas é 2 ordens de magnitude mais lento que 1 picossegundo, que diverge dos cálculos anteriores, e mais lento que o tempo padrão para alcançar o equilíbrio elétron-fônon (τ ⁰ _Au = 1–5 ps).

Relaxamento * é o processo de estabelecer equilíbrio termodinâmico em um sistema.


Um dos principais fatores para alcançar o equilíbrio termodinâmico é o equilíbrio térmico. O que é isso mostrado no vídeo (um pouco desajeitado, mas simples e preciso).

Para os cientistas, um resultado semelhante foi uma surpresa. Eles explicam isso pelo fato de que o estado desequilibrado entre os elétrons e a rede Au dura mais tempo na estrutura de duas camadas do que se Au constituísse uma única camada do sistema. Os estudos do sistema Au - Pt de duas camadas ajudaram a entender isso.

Preparação e Resultados da Experiência

Para excitar o sistema eletrônico Au (camada superior) e Ni, foi utilizado um laser de femtossegundos com comprimento de onda de 400 e 800 nm.


Imagem nº 1: estrutura da camada de amostra

Deve-se notar que, com um pulso de laser com comprimento de onda de 400 nm, o grau de absorção das camadas Au e Ni é aproximadamente o mesmo, enquanto que a 800 nm a camada Au praticamente não absorve luz. Uma diferença tão forte se deve ao fato de que a 400 nm a camada Au tem um índice de refração significativamente mais alto. No comprimento de onda de 800 nm na camada Au (espessura de 5,6 nm), a interferência prejudicial da luz refletida reduz o grau de absorção.


Imagem No. 2: dados experimentais

A imagem 2a mostra o padrão de difração de raios-X da amostra, que confirma a orientação cristalina das nano-camadas Au e Ni. As linhas coloridas mostram os desvios de transição dos picos de Bragg em instantes de tempo selecionados: 2b para Au e 2c para Ni. A linha tracejada branca é o intervalo do eixo da linha do tempo linear para a linha logarítmica.


Imagem 3: termodinâmica de camadas (Ni, Au) e substratos (MgO)

Agora vale a pena considerar com mais detalhes o processo de transferência de calor na amostra experimental. Como mencionado anteriormente, é o Ni que se expande inicialmente, enquanto a camada Au se contrai devido à expansão da camada de Ni. Após 3 ps, a camada Au começa a se expandir ativamente quando a onda de compressão é transformada em onda de expansão devido à reflexão na superfície. Ao mesmo tempo, vibrações insignificantes da onda de deformação na camada de Ni também são observadas.

Após um registro de data e hora de 80 ps, ​​que é bastante tempo, Au alcança sua expansão máxima transferindo calor da camada de Ni, quando as temperaturas das duas camadas são aproximadamente iguais. Além disso, a cerca de 100 ps, ​​o processo de resfriamento começa quando o calor já é transferido para o substrato de óxido de magnésio.

Também foi possível determinar que, após 20 ps do início do processo, a quantidade de energia térmica transferida de Ni para Au é igual à quantidade de energia transferida para o substrato.

Já após 150 ps, ​​metade da energia térmica do filme de duas camadas passa para o substrato. No entanto, os cientistas ainda não entendem por que a camada ultrafina de Au não aquece muito mais rapidamente devido à transferência eletrônica de calor, o que é bastante comum para metais. E o “vazamento” de calor no substrato não fornece explicações exaustivas.

Com base em estudos recentes do coeficiente de reflexão da radiação térmica, os cientistas criaram um modelo avançado de duas temperaturas que ajudará a explicar o aquecimento lento de Au (imagem 3a ).


Modelo de duas temperaturas

E agora em ordem. Os sistemas eletrônicos Ni e Au atingem rapidamente o equilíbrio devido à sua alta condutividade elétrica. A confirmação do balanceamento rápido é o fato de que, nos primeiros 2 ps, a camada Au é igualmente comprimida a 400 nm e a 800 nm. Caso contrário, a alta pressão eletrônica na Au após a exposição a um feixe de 400 nm levaria à compressão causada pela expansão do Ni.

Outra prova do equilíbrio é a seguinte afirmação dos pesquisadores: se os elétrons não atingissem o equilíbrio em menos de 1 ps e assim removessem o calor do sistema eletrônico de Au, uma forte compressão de Au não seria observada, uma vez que a pressão do elétron levaria imediatamente à expansão de Au .

Em relação à constante de interação elétron-fóton, é muito maior na camada Ni do que em Au. Quase toda a energia de fótons recebida pelo sistema eletrônico é enviada para a rede de Ni. E isso apesar do fato de que a 400 nm, aproximadamente 1/3 da energia absorvida foi inicialmente introduzida no sistema eletrônico Au.


Imagem nº 4: comparação do modelo com dados experimentais

O gráfico 4a mostra a deformação (linhas tracejadas) calculada a partir do aquecimento médio das camadas. Esses cálculos correspondem ao modelo mostrado na imagem 1b. Mas linhas sólidas são simulações baseadas no modelo descrito acima.

4b é uma representação colorida da deformação em função da profundidade e do tempo da amostra, construída levando em consideração a presença de uma tensão térmica transitória espacialmente uniforme nas camadas. Este gráfico corresponde às linhas tracejadas no gráfico 4a.

O relatório dos cientistas descreveu em mais detalhes os detalhes de suas pesquisas, bem como os métodos de cálculo, portanto, recomendo fortemente que você se familiarize com isso.

Epílogo

Este estudo possibilitou estudar processos de transferência de calor em uma estrutura multicamada no nível nanométrico, o que posteriormente abre a possibilidade de caracterizar mais detalhadamente certas propriedades de sistemas complexos de ligas e combinações de metais.

Os elétrons Au e Ni mostraram a capacidade de entrar no estado de equilíbrio extremamente rapidamente, o que é confirmado pelo fato de que, quando um feixe de 400 nm e 800 nm é exposto, inicialmente o aquecimento ocorre apenas no Ni, independentemente da energia absorvida pela camada Au.

A 400 nm, foi detectado o processo de transferência de energia térmica entre as camadas (de uma camada para outra e vice-versa). Inicialmente, os elétrons transferem energia rapidamente de Au para Ni, de modo que parte do calor é transferida de volta dos fótons de Ni para os fótons de Au. No final, o calor passa pelo Ni para o substrato de óxido de magnésio.

Devido ao fraco acoplamento elétron-fóton em Au, a energia transferida dos fótons de Ni através dos elétrons Ni e Au para a rede Au é fortemente suprimida. Este estudo definitivamente terá um forte efeito no futuro estudo de troca eletrônica de superdifusão e desmagnetização / remagnetização óptica.

Esse trabalho pode e se tornará um elemento importante na melhoria de certos aspectos das futuras tecnologias. Estes são apenas os primeiros passos, mas o potencial é óbvio. Se você não é cético em relação a essa pesquisa e deseja entender o que os outros consideram sem importância, o progresso avançará muito mais rápido e com mais eficiência.

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