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相变薄膜材料Ge_2Sb_2Te_5的超快动力学研究

孔杰  
【摘要】: 文章采用飞秒激光辐照、飞秒激光泵浦-探测等技术手段,研究了相变材料Ge2Sb2Te5(GST)薄膜的相变特性及其超快动力学过程。文章主要介绍了泵浦——探测实验光路的原理,相变材料Ge2Sb2Te5的相变机理,以及飞秒激光与其相互作用的微观动力学过程。 Ge2Sb2Te5样品的制备,采用德国莱宝公司生产的多靶共溅射镀膜仪制备。采用Ge2Sb2Te5复合靶溅射于高纯硅(纯度优于99.99%)基片。并且利用X-ray衍射分析、拉曼散射光谱仪分析(LRS)、光学显微镜等对飞秒激光作用下Ge2Sb2Te5薄膜的相变、辐照点的表面形貌进行了表征和观察;采用泵浦——探测手段对Ge2Sb2Te5薄膜相变瞬态过程以及薄膜内载流子动力学过程进行了观察和研究。 论文首先介绍了本研究的理论基础: 1、从飞秒到毫秒时间尺度内激光脉冲作用于载流子的动力学过程; 2、飞秒激光在相变材料研究中的应用以及飞秒激光各种超快技术; 3、泵浦—探测手段的原理以及在研究微观动力学方面的应用; 4、相变材料Ge2Sb2Te5的光存储原理。 其次,文章介绍了本研究中采用的实验手段。本文采用的实验方法为:利用飞秒激光多脉冲(中心波长800nm,脉宽100fs,频率为1kHz,平均功率10mW)辐照非晶态Ge2Sb2Te5薄膜引发其相变。拉曼光谱分析和X-ray衍射分析结果表明在辐照区域内薄膜已经晶化。光学显微镜观察结果显示形成的晶化点和非晶化点形状规则,轮廓清晰。由泵浦——探测装置测得的弛豫曲线分析,获得了晶态与非晶态两相载流子的动态过程。 最后,文章给出了,Ge2Sb2Te5在飞秒激光作用下,从非晶态到晶态之间相变的合理解释,并提出了今后研究方向的设想。 本文研究重点是:1、飞秒激光泵浦-探测装置的搭建;2、利用本装置对Ge2Sb2Te5薄膜在飞秒时间范围内的载流子动力学进行了研究。具有较低能量的飞秒激光脉冲能够引发Ge2Sb2Te5薄膜的反射率发生变化,通过薄膜反射率的瞬态变化研究了载流子动力学。 其次,通过对飞秒激光光致相变点的分析,将其与温控退火炉晶化样品进行对比,研究光致相变与温致相变的异同。两种相变过程具有不同的微观动力学过程,但都可以达到相变的目的,实验结果非常相似。


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