在強關聯電子系統中，電子、聲子、電子自旋等自由度間皆有著 複雜的關聯，也造就了這類材料有著豐富的物理現象，舉凡高溫超導 體(HTSC)的發現與研究[1]、龐磁阻(CMR)材料隨著不同參雜呈現多 樣的相變化[2]、多鐵材料同時具有鐵電與(反)鐵磁兩種以上的有序特 性等，都與這些自由度間強烈的關聯性息息相關，故了解強關聯電子 系統複雜的電子及晶格行為已成了日益重要的課題。
利用超快雷射激發－探測實驗( Pump-Probe experiment )能夠分 析載子的電荷、軌道、自旋、以及晶格等自由度間的耦合情形，例如 本實驗室在La1-xCaxMnO3材料中，電子與聲子、電子自旋與晶格間 的耦合情形，都能夠利用超快雷射激發－探測實驗解析出來[3,4]。
而在近ㄧ、二十年來，許多固態材料如半導體材料、高溫超導或 者龐磁阻等材料，其超快激發－探測實驗結果，都發現了瞬時反射率 (ΔR)呈現週期性振盪的行為[5-12]，如圖 1-1 所示。
圖1-1 a-As2Se3的瞬時反射率(ΔR)週期性振盪[3]
造成薄膜瞬時反射率呈現週期性振盪的可能原因有「同調聲子 (Coherent Phonon)」、「電荷密度波(Charge-density wave)」、「磁振子 (magnon)」[13]等，其中同調聲子振盪形成機制又有「位移式同調聲 子激發Displacive Excitation of Coherent Phonon (DECP)」[14]、「驅動 式激發拉曼散射Impulsive Stimulated Raman Scattering (ISRS)」[15]
及「形變脈衝機制Strain Pulse Mechanism」[5,6]。
在眾多的多鐵材料中，鉍鐵氧(BiFeO3)同時具有有序的磁性與相 當大的鐵電極化量。鉍鐵氧為室溫多鐵材料，其有高鐵電居里溫度 (Curie Temperature)與高尼爾溫度(Neel Temperature)之特性，擁有製作 成元件之潛力，於是我們用超快激發－探測系統量測，發現ΔR/R 訊 號呈現一維持了數十週期的週期性振盪，此振盪的衰減時間比其他 CMR 材料長，不像 LCMO 的振盪訊號維持一到兩個週期後就會消 失。圖1-2 是 BiFeO3薄膜室溫下的ΔR/R 訊號。
0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0
2 6 2 8 3 0 3 2 3 4 3 6 3 8
2 9 0 K
ΔR/R (×10-6 )
T i m e d e la y ( p s ) B i F e O3( 0 0 1 ) / S r T i O3
圖1-2 BiFeO3 薄膜的 ΔR/R 訊號
由振盪的週期與衰減時間，我們初步判斷振盪機制應該是磁振子 或是同調聲頻聲子，利用本實驗室的超快激發－探測技術，我們設計 實驗去解析振盪的機制。如果是磁振子訊號，表示用超快激發－探測 系統觀測到BiFeO3的磁光效應，磁光效應是目前非常熱門的研究方 向。如果振盪機制是同調聲頻聲子，根據C. Thomsen 提出的形變脈 衝理論，在假設BiFeO3的折射率為定值的情況下，我們由振盪週期 推得聲子速度，而聲速展現了BiFeO3的彈性特性，所以由變溫實驗 我們可以觀察BiFeO3在相變化時彈性特性是如何改變，甚而外加磁 場下是否有磁彈效應的產生。
本論文架構為第一章「緒論」，第二章「形變波理論與鉍鐵氧化 物基本特性介紹」，第三章「飛秒雷射激發探測量測系統」，第四章「實 驗結果與討論」，第五章「總結與未來工作」。