專利名稱：一種新型快速光電響應(yīng)材料金屬/絕緣體嵌埋團(tuán)簇膜及制備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域?yàn)楣怆娂{米材料，本項(xiàng)發(fā)明涉及一種新型光電材料及制備工藝，可廣泛應(yīng)用于光子電子器件中。
本發(fā)明
背景技術(shù)：
團(tuán)簇科學(xué)是研究團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)相體材料演化過程中與尺寸的關(guān)聯(lián)，以及團(tuán)簇同外界環(huán)境相互作用規(guī)律的一面方興未艾的科學(xué)。有關(guān)團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究，尤其是包埋團(tuán)簇的性質(zhì)的研究，是當(dāng)前團(tuán)簇研究的熱點(diǎn)。最近幾年，利用現(xiàn)代晶體生長(zhǎng)技術(shù)制造金屬或半導(dǎo)體納米材料，表現(xiàn)出明顯的量子效應(yīng)。從而表現(xiàn)出許多自然界所沒有的新奇的物理性質(zhì)。如金屬團(tuán)簇所表現(xiàn)出的強(qiáng)非線性效應(yīng)、快速光電響應(yīng)等(1.Y.Wang et al，J.Chem.Phys.87，7315(1987)，2.A.Rubia and L.Serra，Phys.Rev.B，48(1993)222)。對(duì)于包埋在介質(zhì)中的金屬顆粒，有效Kerr非線性系數(shù)和吸收系數(shù)也有很大程度的增加(N.Tanak et al，Z.Phys.D，26(1993)225)。團(tuán)簇光學(xué)性質(zhì)的研究，對(duì)于探索從單原子到塊狀材料的性質(zhì)的過渡具有重要意義，同時(shí)又在光子、光學(xué)器件方面有極其重要的潛在的應(yīng)用價(jià)值，如相位變換反射鏡、雙穩(wěn)裝置、非線性波導(dǎo)以及反應(yīng)時(shí)間在皮秒或亞皮秒級(jí)的快速光電反應(yīng)材料等。
金屬團(tuán)簇在嵌埋狀態(tài)下，其晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)都發(fā)生了變化，從而引起了其光學(xué)性質(zhì)的變化。根據(jù)Mie理論(J.J.Hauser，Phys.Rev.，B3(1970)1611)，金屬小顆粒的光吸收系數(shù)依賴于與團(tuán)簇尺寸大小復(fù)合介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)和入射光的頻率。利用磁控濺射金屬原子，同時(shí)蒸發(fā)介質(zhì)包埋的方法制備金屬顆粒-絕緣介質(zhì)膜(M.S.Abrahams et al，J.Appl.Phys.，43(1973)2537)，在原則上可根據(jù)應(yīng)用要求，選擇不同的金屬材料和包埋介質(zhì)。
本發(fā)明的目的是為了在光子、電子器件中，發(fā)明一種更為實(shí)用的光電材料。即制造一種新型的金屬/絕緣體團(tuán)簇膜，該團(tuán)簇膜可作為一種新型快速光電反應(yīng)材料。特此發(fā)明了該新型快速光電響應(yīng)材料金屬/絕緣體嵌埋團(tuán)簇膜及制備方法。
本發(fā)明的內(nèi)容及技術(shù)方案本項(xiàng)發(fā)明樣品的制備是根據(jù)磁控濺射產(chǎn)生團(tuán)簇的原理，首次采用磁控濺射金屬材料產(chǎn)生團(tuán)簇，同時(shí)蒸發(fā)絕緣介質(zhì)直接形成包埋團(tuán)簇膜。不必再進(jìn)行熱處理，團(tuán)簇的尺寸大小可直接通過改變?yōu)R射氣壓來控制。下面結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明內(nèi)容及技術(shù)方案見圖1是濺射產(chǎn)生團(tuán)簇設(shè)備的示意圖。被濺射出的原子或原子團(tuán)在工作氣體的載帶下，通過一個(gè)光闌(孔徑可變)進(jìn)入差分抽氣區(qū)(II)，這一級(jí)的差分抽氣是通過油增壓泵進(jìn)行的。冷凝區(qū)氣壓維持在5Pa左右，這一區(qū)間大量工作氣體被抽走，而團(tuán)簇束繼續(xù)向前通過第二、三級(jí)光闌，最后進(jìn)入沉積區(qū)(III)。沉積區(qū)的真空是由分子泵(6)維持的，根據(jù)前面的光闌大小不同和進(jìn)氣量的不同，一般在0.02～0.1Pa左右。通過靶架電位的不同可以改變團(tuán)簇沉積到樣品襯底上的能量。在我們的裝置中，樣品靶架的浮動(dòng)電位可以在0～±30kV之間變化。
我們采用實(shí)驗(yàn)設(shè)備的示意圖如圖1所示。利用所需制備的團(tuán)簇材料(Cu、Ag、Au或同類的金屬)作為濺射電極，兩個(gè)對(duì)靶(2)的磁控濺射頭(Φ100mm左右)，靶的厚度約為2～5mm，后面有一個(gè)環(huán)型磁鐵，將濺射控制在磁鐵周圍。由水冷卻，兩靶之間的距離可調(diào)，一般使用距離為30～50mm，濺射電通常采用Ar和N2為工作氣體，濺射氣壓為20～70Pa。當(dāng)對(duì)板磁控濺射電極上的電壓加到一定的值(約1000V到1500V)時(shí)，就發(fā)生輝光放電等離子體，并且電極上的電壓降至200V～400V，電流為1～2A。通過輝光放電產(chǎn)生的離子的磁控濺射，將靶材料以原子(分子)或小的團(tuán)簇形式濺射出來，這些原子(分子)或小的團(tuán)簇在濺射腔內(nèi)進(jìn)一步聚集形成稍大的團(tuán)簇，工作氣體將這些相對(duì)較小的團(tuán)簇帶入冷凝區(qū)，進(jìn)一步聚集成原子數(shù)大約為103到105的大團(tuán)簇，團(tuán)簇的大小可以通過調(diào)節(jié)濺射氣壓、冷凝區(qū)進(jìn)口和出口孔徑的大小來改變。
我們研究了輝光放電條件對(duì)形成團(tuán)簇特性的影響主要是輝光放電電壓、電流、工作氣體的氣壓與所形成的團(tuán)簇的大小(包括一致性)、數(shù)量、荷電特性(中性、負(fù)電和正電團(tuán)簇的比例)的關(guān)系。
輝光放電濺射區(qū)、冷凝區(qū)和沉積區(qū)的真空度對(duì)形成的團(tuán)簇特性的影響通常，輝光放電區(qū)的氣壓在20Pa到70Pa之間；冷凝區(qū)之后的真空度為10P-2乇到10-3乇之間；沉積區(qū)的真空度為10-4乇到10-5乇。這樣的真空狀況是通過差分抽氣實(shí)現(xiàn)的。
放電有兩個(gè)作用，一從靶上濺射原子，二離化團(tuán)簇。從金屬表面濺射出來的原子絕大多數(shù)是中性的，但放點(diǎn)中的電子可以激發(fā)氬氣原子到其亞穩(wěn)態(tài)，它在真空中壽命約為1s，攜帶能量為11.5eV，這一能量可以通過碰撞傳遞。并且，Ar*+Cun⇒Ar+Cun++e-]]>這個(gè)能量足以使所有的金屬原子和團(tuán)簇離化，離化過程可寫為，這種類型的離化激發(fā)過程可以定義為潘寧電離。它具有一個(gè)約10A2的大的截面，在氣體放電中有大量的亞穩(wěn)的惰性氣體原子，因此，潘寧電離是有效的離化機(jī)制。氣體放電一定會(huì)產(chǎn)生氬團(tuán)簇離子，Ar+，但在其與金屬原子或團(tuán)簇碰撞時(shí)會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移Ar++Cun⇒Ar+Cun+]]>e-+Cun⇒Cun-]]>由于不同的離化勢(shì)，其反過程是不可能發(fā)生的。也有可能發(fā)生電子與團(tuán)簇的碰撞這個(gè)過程對(duì)大團(tuán)簇更有效，這就很好理解大多數(shù)團(tuán)簇是帶負(fù)電的。以上三個(gè)方程描述了團(tuán)簇離化的過程，可以推斷至少有80％的團(tuán)簇是離化的。
另外，冷凝區(qū)的入口和出口直徑的大小對(duì)于所形成的團(tuán)簇的特性的影響冷凝區(qū)入口和出口直徑的大小直接影響團(tuán)簇在冷凝區(qū)的停留時(shí)間，這對(duì)于團(tuán)簇的大小影響很大，一般來說，孔徑越小，團(tuán)簇尺寸越大，但尺寸過小，在沉積襯底上，會(huì)產(chǎn)生很明顯的衍射環(huán)。我們將孔徑固定在5mm內(nèi)調(diào)節(jié)，以確保得到較高質(zhì)量的薄膜。另外，我們將最后一級(jí)光闌設(shè)計(jì)成錐狀，以保證在加電壓時(shí)，電場(chǎng)的均勻分布。
濺射出來的原子或原子團(tuán)相互碰撞形成較大的原子團(tuán)，在氬氣的攜帶下通過差分抽氣區(qū)，進(jìn)入蒸發(fā)沉積區(qū)。原子團(tuán)簇被同時(shí)蒸發(fā)的CaF2介質(zhì)包埋，沉積在石英玻璃片上，團(tuán)簇的尺寸可以通過改變?yōu)R射氣壓控制在2～70nm范圍，嵌埋金屬的體積百分比為20％-70％。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與積極效果本項(xiàng)發(fā)明可以直接得到納米量級(jí)的金屬Cu嵌埋團(tuán)簇，不需要再進(jìn)行熱處理或其它后續(xù)處理。此外團(tuán)簇的尺寸可以控制在2～70nm，它是通過改變?yōu)R射氣壓來控制的。該團(tuán)簇復(fù)合膜具有飽和吸收之特點(diǎn)，響應(yīng)速度快、響應(yīng)時(shí)間短。可以用作光電開關(guān)，大大提高了光電響應(yīng)速度。
說明書


圖1濺射產(chǎn)生團(tuán)簇設(shè)備示意圖1-進(jìn)氣入口；2-濺射靶；3-冷凝區(qū)；4-樣品架；5-油增壓泵；6-分子泵；7-光闌；8-蒸發(fā)源。
(I)磁控濺射區(qū)；(II)差分抽氣區(qū)；(III)沉積區(qū)。
圖2 Kerr效應(yīng)響應(yīng)信號(hào)圖3光學(xué)開關(guān)示意圖9-樣品；10-泵浦光； 11-探測(cè)光實(shí)施例該團(tuán)簇膜在光電器件可用作光電開關(guān)，如圖3所示，由于金屬/絕緣體團(tuán)簇膜具有飽和光吸收的特點(diǎn)，并且響應(yīng)速度很快，響應(yīng)時(shí)間小于150fs。當(dāng)泵浦脈沖光(脈寬150fs)通過時(shí)，樣品產(chǎn)生飽和光吸收，樣品被漂白，探測(cè)光可以通過。而脈沖通過前后探測(cè)光都被完全吸收，即無探測(cè)光通過，達(dá)到了光開關(guān)的作用。
權(quán)利要求
1.一種新型快速光電響應(yīng)材料金屬/絕緣體嵌埋團(tuán)簇膜，其結(jié)構(gòu)的特征是(1)將尺寸為2～70nm的金屬嵌埋在絕緣介質(zhì)CaF2中；(2)嵌埋金屬的體積百分比為20％～70％；(3)金屬和絕緣體都具有多晶結(jié)構(gòu)。
2.按照權(quán)利要求1所述的金屬/絕緣體嵌埋團(tuán)簇膜，其特征在于所嵌埋的金屬是Cu、Ag、Au或同類的金屬埋在絕緣介質(zhì)CaF2中。
3.一種新型快速光電響應(yīng)材料金屬/絕緣體嵌埋團(tuán)簇膜的制造方法，其特征包括(1)利用磁控濺射金屬材料產(chǎn)生團(tuán)簇，同時(shí)蒸發(fā)絕緣介質(zhì)直接形成包埋團(tuán)簇膜，團(tuán)簇的尺寸大小可直接通過改變?yōu)R射氣壓來控制；(2)濺射區(qū)、差分抽氣區(qū)、沉積區(qū)的氣壓對(duì)團(tuán)簇形成的影響，各部分的氣壓分布為20～70Pa、5Pa和0.02～0.1Pa；(3)需制備的團(tuán)簇材料作為濺射電極，兩個(gè)對(duì)靶的磁控濺射頭(Φ100mm左右)，靶的厚度約為2～5mm，后面有一個(gè)環(huán)型磁鐵，將濺射控制在磁鐵周圍，用水冷卻，兩靶之間的距離可調(diào)，一般使用距離為30～50mm；(4)利用所濺射電通常采用Ar和N2為工作氣體，濺射氣壓為20～70Pa，當(dāng)對(duì)板磁控濺射電極上的電壓加到一定的值(約1000V到1500V)時(shí)，就發(fā)生輝光放電等離子體，并且電極上的電壓降至200V～400V，電流為1～2A；(5)濺射出來的金屬原子會(huì)聚集，并與電子及工作氣體碰撞，有80％的金屬團(tuán)簇帶電；(6)金屬團(tuán)簇尺寸為2～70nm，含103～105個(gè)原子，具有納米晶體結(jié)構(gòu)；(7)冷凝區(qū)的入口和出口直徑為在2-10mm，并最后一級(jí)光闌(7)設(shè)計(jì)為錐狀。
全文摘要
本發(fā)明是利用磁控濺射產(chǎn)生金屬團(tuán)簇和蒸發(fā)介質(zhì)的方法,將產(chǎn)生的納米Cu團(tuán)簇嵌埋在絕緣介質(zhì)CaF
文檔編號(hào)C23C14/00GK1268672SQ9912662
公開日2000年10月4日 申請(qǐng)日期1999年12月23日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月23日
發(fā)明者趙子強(qiáng) 申請(qǐng)人:北京大學(xué)