如前面章節所述，為了探討BiFeO3薄膜的超快動力行為，我們委託朱 英豪老師提供直接長在STO 基板上的 BiFeO3薄膜，而不要在之間加上底電 極層(SrRuO3, SRO)，此底電極層可以控制 BiFeO3鐵電極化的方向，少了 SRO 層會使 BiFeO3在<111>的鐵電極化方向有八種極化異變體的可能，但 可以簡化我們對量測訊號的分析。
4-1 激發－探測實驗
首先，圖4-1 為 BiFeO3(001)的ΔR/R 訊號，我們發現ΔR/R 訊號有一個 週期為數十皮秒的振盪行為。根據文獻[9]，造成此振盪行為可能的機制有 同調聲子、電荷密度波和磁振子等。
0 100 200 300
0 10 20 30 40 50 60
ΔR/R (×10-6 )
Time delay (ps)
λ:800nm T:290 K
圖 4-1 BFO(001)薄膜的ΔR/R 訊號
其中電荷密度波是如果一個系統電子能量的降低(費米能量附近形成能 隙)可以彌補因晶格形變(電荷以遠-近-遠-近交替分布)而提高的靜電位能，
那這個系統就可以藉由電荷密度波的形成來降低系統的總能量。因此電荷 密度波多發現在低維度材料之中，因為低維度材料擁有特殊異向的晶體結 構和電子能帶結構。BiFeO3薄膜的晶體結構不具有上述特性，故排除電荷 密度波的可能。
接著同調聲子中有位移式同調聲子激發 (DECP)、驅動式激發拉曼散射 (ISRS)及形變脈衝機制，然而本實驗中所發現的振盪其週期約為數十皮秒，
換算成頻率在GHz 的範圍，而 DECP 和 ISRS 機制所產生的同調聲子振盪頻 率為THz 範圍，故再排除這兩種可能。所以以下的實驗以同調聲頻聲子與 磁振子為方向進行。
4-2 不同厚度樣品量測
獻[29]得知波長 800 nm 的探測光對 BiFeO3的穿透深度高達10 μm，所以振 盪衰減時間很長，振盪持續到300 ps 都還未消失，這跟之前東煌學長量測 LCMO 樣品只能看到一至兩個週期的情況相當不同，如此一來用上述數學 式去配適(fitting)，在阻尼振盪項的部分會有極大的誤差。因此後來我們使 用傅利葉轉換的方式去得到振盪頻率，圖4-3 是將實驗數據扣除非振盪項後 傅利葉轉換的圖形，可以發現峰值約在45 GHz，符合 20 ps 左右的振盪週 期。
20 40 60 80 100 120
Frequency (GHz)
圖4-3 BFO(001)薄膜ΔR/R 訊號的傅利葉轉換圖形
0 100 200 300 400 500 21.0
21.5 22.0 22.5 23.0 23.5
Thickness of films (nm)
Oscillation Period (ps)
圖 4-4 BFO(001)薄膜的振盪週期與薄膜厚度關係圖
從上面分析結果，可以得知薄膜厚度與振盪週期是沒有相關性的，薄 膜厚度已從50 nm 變化至 500 nm，振盪週期皆為 22 ps 左右，因此排除此 振盪是由與薄膜厚度相關的同調聲子所造成。
4-3 外加磁場下量測
根據文獻[30]，有研究團隊以 Ba0.6 Sr1.4 Zn2 Fe12 O22樣品作激發-探測實 驗，當外加一個0.1T 的磁場時可以發現一個明顯的振盪行為出現，接著他 們試著改變不同的探測光波長量測，發現需要在有外加磁場的情況下才出 現的這個振盪訊號其週期不隨探測光波長改變，所以排除了同調聲子的可 能而推測是由磁振子造成，他們的實驗結果如下圖所示:
圖 4-5 BSZFO 在不同外加磁場下的ΔR/R 訊號
我們在無外加磁場時就已量測到振盪訊號，不過還是試著在外加一個 約為0.12T 的磁場下作激發-探測實驗，如果振盪訊號因外加磁場的影響而 改變，那振盪的機制就必定跟電子自旋有關。圖4-5 是外加磁場的實驗結 果，表4-1 是數據分析的結果。
0 100 200 300 400 500 600 700 0.0
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
BFO(001) 200nm
Time delay (ps) ΔR/R (×10-4 )
0 T 0.12 T
圖4-6 BFO(001)薄膜在外加 0.12 T 磁場與無外加磁場下的ΔR/R 訊號
Magnetic field (T) Period (ps) Error (ps)
0 22.10 0.07
0.12 22.08 0.09
表 4-1 BFO(001)薄膜的振盪週期與外加磁場的關係
從分析結果得知，外加 0.12 T 的磁場對振盪行為沒有影響，無外加磁 場與外加0.12 T 磁場情況下的振盪週期幾乎相同，振盪的衰減時間也沒有 明顯的變化。由於磁光柯爾系統還在架設中，在無法外加更大磁場的情況 下，我們排除磁振子的可能性。
4-4 不同探測光波長量測
780 800 820 840
20.5
0 100 200 300 400 500 600
0 100 200 300 400 500 600
780 800 820 840
780 800 820 840
20.5
780 800 820 840
20.5
780 800 820 840
20.5
固定探測光波長為800 nm，我們從 20 K 到 700 K 作了一系列激發-探 測實驗量測，圖4-12(a)、(b)為所有溫度的ΔR/R 訊號。用傅利葉轉換分析 所有溫度的振盪數據得到振幅(圖 4-14)與週期(圖 4-17)對溫度的關係圖，最 後，圖4-18 是由振盪週期推得的聲速對溫度作圖。
0 100 200 300 400 500 600
ΔR/R (×10-5 )
Time Delay (ps)
35 K 20 K
50 K 80 K 110 K 140 K 155 K 170 K 185 K 215 K 245 K 275 K 290 K 300 K 2.5
圖 4-13(a) BFO(001)薄膜 20 K 到 300 K 的ΔR/R 訊號
0 100 200 300 400 500 600
ΔR/R (×10-5 )
Time Delay (ps)
340 K 380 K 400 K 420 K 460 K 500 K 530 K 560 K 600 K 620 K 630 K 640 K 650 K 660 K 680 K 700 K 2.5
圖 4-13(b) BFO(001)薄膜 340 K 到 700 K 的ΔR/R 訊號
圖4-14 BFO(001)薄膜不同波長的折射率(n) 和 extinction coefficient (k)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
Amplitude (arb. units)
Temperature (K)
圖 4-15 振盪訊號傅利葉轉換後的振幅對溫度關係圖
從上面結果得知在溫度超過420 K 之後振盪幾乎消失，將變溫過的 BiFeO3薄膜拿去量測原子力顯微鏡，比較加溫前後的薄膜表面變化，見圖 4-15 和圖 4-16，發現加熱過後的 BiFeO3薄膜表面平整度較差，故我們推測 是膜面平整度變差，使得同調聲子不易產生而造成振盪消失。
RMS 1.08nm
圖4-16 BFO(001)薄膜升溫前的原子力顯微鏡圖形
RMS 1.93nm
圖4-17 BFO(001)薄膜升溫後的原子力顯微鏡圖形
0 100 200 300 400 500 21.2
21.6 22.0 22.4
Oscillation Period (ps)
Temperature (K)
圖4-18 振盪週期對溫度關係圖
0 100 200 300 400
6250 6300 6350 6400 6450 6500 6550 6600
Temperature (K)
Sound velocity (m/s)
圖4-19 由振盪推得 BFO(001)薄膜的聲速對溫度關係圖
由上面結果發現聲速在140 K 時呈現出局部的最大值，此溫度是 BiFeO3 的一個自旋再排列的相轉變溫度。而目前沒有找尋到有相關的文獻討論 BiFeO3的聲速，所以無法比較。自旋再排列的機制也鮮少有人討論，這部 分還需要更進一部的研究與理論來解釋。