[论文解读] Electron-phonon relaxation time in ultrathin tungsten silicon film

Korneev Alexander, Chulkova Galina Mercurievna+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2016

Surface and Thin Film Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究提出了一种内部声子瓶颈模型，以解释超薄钨硅化物薄膜中的电子-声子弛豫行为，区分了逃逸声子与非逃逸声子。通过振幅调制的亚太赫兹吸收实验，作者实验验证了该瓶颈效应，发现在3.4 K时电子-声子弛豫时间为140–190 ps，与先前测量结果高度一致。

ABSTRACT

We developed the model of the internal phonon bottleneck to describe the energy exchange between the acoustically soft ultrathin metal film and acoustically rigid substrate. Discriminating phonons in the film into two groups, escaping and nonescaping, we show that electrons and nonescaping phonons may form a unified subsystem, which is cooled down only due to interactions with escaping phonons, either due to direct phonon conversion or indirect sequential interaction with an electronic system. Using an amplitude-modulated absorption of the sub-THz radiation technique, we studied electron-phonon relaxation in ultrathin disordered films of tungsten silicide. We found an experimental proof of the internal phonon bottleneck. The experiment and simulation based on the proposed model agree well, resulting in tau_{e-ph} = 140-190 ps at T_C = 3.4 K, supporting the results of earlier measurements by independent techniques.

研究动机与目标

• 理解电子与声子在超薄非晶钨硅化物薄膜中能量交换的机制。
• 研究声子逃逸动力学在限制电子-声子弛豫中的作用。
• 在声学软膜与刚性基底的体系中，实验验证内部声子瓶颈模型。
• 利用亚太赫兹吸收技术测量电子-声子弛豫时间，并与理论预测进行比较。

提出的方法

• 将薄膜-基底体系建模为声学软金属薄膜与刚性基底，以分析声子逃逸行为。
• 将薄膜声子分类为逃逸与非逃逸两类，以识别不同的弛豫路径。
• 构建电子与非逃逸声子的统一子系统，其仅通过与逃逸声子的相互作用实现冷却。
• 使用振幅调制的亚太赫兹辐射探测超薄WSi薄膜中电子-声子弛豫动力学。
• 将实验测得的弛豫时间与基于所提声子瓶颈模型的模拟结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 逃逸声子与非逃逸声子在超薄薄膜中电子-声子能量弛豫方面有何不同贡献？
• RQ2 内部声子瓶颈在多大程度上限制了非晶钨硅化物薄膜中的电子-声子耦合？
• RQ3 亚太赫兹吸收光谱能否实验检测并量化声子瓶颈效应？
• RQ4 基于所提模型的模拟结果与电子-声子弛豫时间的实验测量结果如何比较？

主要发现

• 内部声子瓶颈模型成功解释了声学软膜与刚性基底的超薄WSi薄膜中的电子-声子弛豫行为。
• 电子与非逃逸声子形成耦合子系统，其冷却仅通过与逃逸声子的相互作用实现。
• 通过振幅调制的亚太赫兹吸收实验测量，实验验证了声子瓶颈效应的存在。
• 在3.4 K时测得的电子-声子弛豫时间为140–190 ps。
• 实验结果与基于所提模型的模拟结果高度一致，支持与早期独立测量结果的一致性。