[論文レビュー] Ultrafast lattice dynamics and electron-phonon coupling in platinum extracted with a global fitting approach for time-resolved polycrystalline diffraction data

Daniela Zahn, H. Seiler+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2020

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 53被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、白金における超高速格子振動および電子-フォノン結合を抽出するために、時間分解多結晶電子回折データに対するグローバルフィッティング手法を導入する。最小限の時間依存パラメータで全回折パターンをフィッティングすることで、レーザー強度に依存しない精度の高い電子-フォノン結合定数 Gep = (3.9 ± 0.2) × 10¹⁷ W m⁻³ K⁻¹ を得た。

ABSTRACT

Quantitative knowledge of electron-phonon coupling is important for many applications as well as for the fundamental understanding of nonequilibrium relaxation processes. Time-resolved diffraction provides direct access to this knowledge through its sensitivity to laser-induced lattice dynamics. Here, we present an approach for analyzing time-resolved polycrystalline diffraction data. A two-step routine is used to minimize the number of time-dependent fit parameters. The lattice dynamics are extracted by finding the best fit to the full transient diffraction pattern rather than by analyzing transient changes of individual Debye-Scherrer rings. We apply this approach to platinum, an important component of novel photocatalytic and spintronic applications, for which a large variation of literature values exists for the electron-phonon coupling parameter $G_\mathrm{ep}$. Based on the extracted evolution of the atomic mean squared displacement (MSD) and using a two-temperature model (TTM), we obtain $G_\mathrm{ep}=(3.9\pm0.2)\cdot10^{17}\frac{\mathrm{W}}{\mathrm{m}^3\hspace{1pt}\mathrm{K}}$ (statistical error). We find that at least up to an absorbed energy density of $124\hspace{2pt}\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{cm}^3}$, $G_\mathrm{ep}$ is not fluence-dependent. Our results for the lattice dynamics of platinum provide insights into electron-phonon coupling and phonon thermalization and constitute a basis for quantitative descriptions of platinum-based heterostructures in nonequilibrium conditions.

研究の動機と目的

• 個々のデイビー＝シュレーダー環を相関する時間依存パラメータでフィッティングする従来の時間分解回折解析の限界を克服すること。
• 全一時的回折パターンを一体としてモデル化することで、時間依存フィッティングパラメータを最小限に抑えるグローバルフィッティング手法の開発。
• フェムト秒電子回折からの格子応答データを用いて、白金における電子-フォノン結合を定量的に抽出すること。
• 電子-フォノン結合の強度依存性を評価し、格子振動における非熱フォノンの寄与を調査すること。
• 光触媒およびスピントロニクスに応用される白金系ヘテロ構造における非平衡ダイナミクスを理解するための堅牢で定量的な基盤を提供すること。

提案手法

• 時間分解多結晶電子回折データに対して2段階のグローバルフィッティング手順を適用し、個々の環ではなく全径方向プロファイルを同時にフィッティングする。
• 原子の平均二乗変位（MSD）の変化に1つの時間依存パラメータ、格子拡張に1つのパラメータを用いることで、パラメータの相関と不一致を低減する。
• バックグラウンド補正、フラットフィールド補正、および方位平均化を施した回折パターンから一時的格子ダイナミクスを抽出する。
• 抽出されたMSDの時間発展をデュービング＝ウォーラー係数および熱膨張モデルを用いて格子温度に変換する。
• 格子温度発展を2温度モデル（TTM）にフィッティングし、電子-フォノン結合パラメータ Gep を抽出する。
• 複数のポンプ強度での結果を比較することで、本手法を検証し、124 J/cm³までの範囲で Gep が強度に依存しないことを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全多結晶回折パターンに対するグローバルフィッティング手法は、環ごとのフィッティングと比較して、パラメータ相関を低減し、格子ダイナミクス抽出の精度を向上させることができるか？
• RQ2 白金における電子-フォノン結合定数 Gep は何か？また、124 J/cm³までの範囲でレーザー強度に依存するか？
• RQ3 超高速電子回折における白金の観察された格子応答に、非熱フォノンがどの程度寄与しているか？
• RQ4 一時的MSDおよび格子拡張として測定された白金の格子応答は、2温度モデルの予測とどのように一致するか？
• RQ5 時間分解回折は、光学的または光電子分光法と比較して、電子-格子平衡化をより直接的かつ定量的にプローブできるか？

主な発見

• グローバルフィッティング手法は、回折パターン全体にわたるパラメータ相関を低減し、一貫性の高い格子ダイナミクス抽出に成功した。
• 白金における電子-フォノン結合定数は、統計的不確実性を伴い、Gep = (3.9 ± 0.2) × 10¹⁷ W m⁻³ K⁻¹ として決定された。
• Gep の値は、124 J/cm³ までの範囲でレーザー強度に依存しないことが判明し、研究範囲内で線形応答領域にあることを示した。
• 原子の平均二乗変位（MSD）の時間発展は、2温度モデルにより良好に記述され、格子温度の抽出が妥当であることが裏付けられた。
• 非熱フォノンは初期の格子応答に顕著に寄与しており、光励起直後における非平衡フォノン分布の存在を示唆した。
• 本結果は、光触媒およびスピントロニクスに応用される白金系ヘテロ構造における非平衡ダイナミクスのモデリングに定量的基盤を提供した。