一种新型快速光电响应材料金属/绝缘体嵌埋团簇膜及制备

摘要

本发明是利用磁控溅射产生金属团簇和蒸发介质的方法,将产生的纳米Cu团簇嵌埋在绝缘介质CaF

说明书

本发明所属技术领域为光电纳米材料，本项发明涉及一种新型光电材料及制备工艺，可广泛应用于光子电子器件中。

本发明背景技术：团簇科学是研究团簇的结构和物理化学性质相体材料演化过程中与尺寸的关联，以及团簇同外界环境相互作用规律的一面方兴未艾的科学。有关团簇的结构和性质的研究，尤其是包埋团簇的性质的研究，是当前团簇研究的热点。最近几年，利用现代晶体生长技术制造金属或半导体纳米材料，表现出明显的量子效应。从而表现出许多自然界所没有的新奇的物理性质。如金属团簇所表现出的强非线性效应、快速光电响应等(1.Y.Wang et al，J.Chem.Phys.87，7315(1987)，2.A.Rubia and L.Serra，Phys.Rev.B，48(1993)222)。对于包埋在介质中的金属颗粒，有效Kerr非线性系数和吸收系数也有很大程度的增加(N.Tanak et al，Z.Phys.D，26(1993)225)。团簇光学性质的研究，对于探索从单原子到块状材料的性质的过渡具有重要意义，同时又在光子、光学器件方面有极其重要的潜在的应用价值，如相位变换反射镜、双稳装置、非线性波导以及反应时间在皮秒或亚皮秒级的快速光电反应材料等。

金属团簇在嵌埋状态下，其晶体结构和电子结构都发生了变化，从而引起了其光学性质的变化。根据Mie理论(J.J.Hauser，Phys.Rev.，B3(1970)1611)，金属小颗粒的光吸收系数依赖于与团簇尺寸大小复合介质的复介电常数和入射光的频率。利用磁控溅射金属原子，同时蒸发介质包埋的方法制备金属颗粒-绝缘介质膜(M.S.Abrahams et al，J.Appl.Phys.，43(1973)2537)，在原则上可根据应用要求，选择不同的金属材料和包埋介质。

本发明的目的是为了在光子、电子器件中，发明一种更为实用的光电材料。即制造一种新型的金属/绝缘体团簇膜，该团簇膜可作为一种新型快速光电反应材料。特此发明了该新型快速光电响应材料金属/绝缘体嵌埋团簇膜及制备方法。

本发明的内容及技术方案：本项发明样品的制备是根据磁控溅射产生团簇的原理，首次采用磁控溅射金属材料产生团簇，同时蒸发绝缘介质直接形成包埋团簇膜。不必再进行热处理，团簇的尺寸大小可直接通过改变溅射气压来控制。下面结合附图来详细说明本发明内容及技术方案：

见图1是溅射产生团簇设备的示意图。被溅射出的原子或原子团在工作气体的载带下，通过一个光阑(孔径可变)进入差分抽气区(II)，这一级的差分抽气是通过油增压泵进行的。冷凝区气压维持在5Pa左右，这一区间大量工作气体被抽走，而团簇束继续向前通过第二、三级光阑，最后进入沉积区(III)。沉积区的真空是由分子泵(6)维持的，根据前面的光阑大小不同和进气量的不同，一般在0.02～0.1Pa左右。通过靶架电位的不同可以改变团簇沉积到样品衬底上的能量。在我们的装置中，样品靶架的浮动电位可以在0～±30kV之间变化。

我们采用实验设备的示意图如图1所示。利用所需制备的团簇材料(Cu、Ag、Au或同类的金属)作为溅射电极，两个对靶(2)的磁控溅射头(Φ100mm左右)，靶的厚度约为2～5mm，后面有一个环型磁铁，将溅射控制在磁铁周围。由水冷却，两靶之间的距离可调，一般使用距离为30～50mm，溅射电通常采用Ar和N₂为工作气体，溅射气压为20～70Pa。当对板磁控溅射电极上的电压加到一定的值(约1000V到1500V)时，就发生辉光放电等离子体，并且电极上的电压降至200V～400V，电流为1～2A。通过辉光放电产生的离子的磁控溅射，将靶材料以原子(分子)或小的团簇形式溅射出来，这些原子(分子)或小的团簇在溅射腔内进一步聚集形成稍大的团簇，工作气体将这些相对较小的团簇带入冷凝区，进一步聚集成原子数大约为10³到10⁵的大团簇，团簇的大小可以通过调节溅射气压、冷凝区进口和出口孔径的大小来改变。

我们研究了辉光放电条件对形成团簇特性的影响：主要是辉光放电电压、电流、工作气体的气压与所形成的团簇的大小(包括一致性)、数量、荷电特性(中性、负电和正电团簇的比例)的关系。

辉光放电溅射区、冷凝区和沉积区的真空度对形成的团簇特性的影响：通常，辉光放电区的气压在20Pa到70Pa之间；冷凝区之后的真空度为10P^-2乇到10^-3乇之间；沉积区的真空度为10^-4乇到10^-5乇。这样的真空状况是通过差分抽气实现的。

放电有两个作用，一从靶上溅射原子，二离化团簇。从金属表面溅射出来的原子绝大多数是中性的，但放点中的电子可以激发氩气原子到其亚稳态，它在真空中寿命约为1s，携带能量为11.5eV，这一能量可以通过碰撞传递。并且， $>>>Ar>*>>+>>Cu>n>>\Rightarrow >Ar>+sup>>Cu>n>+sup>>+>>e>->\; >s>这个能量足以使所有的金属原子和团簇离化，离化过程可写为，$

这种类型的离化激发过程可以定义为潘宁电离。它具有一个约10A²的大的截面，在气体放电中有大量的亚稳的惰性气体原子，因此，潘宁电离是有效的离化机制。气体放电一定会产生氩团簇离子，Ar⁺，但在其与金属原子或团簇碰撞时会发生电荷转移： $>>>Ar>+>>+>>Cu>n>>\Rightarrow >Ar>+sup>>Cu>n>+sup>\; >s>$ >>>e>->>+>>Cu>n>>\Rightarrow sup>>Cu>n>-sup>\; >s>$$

由于不同的离化势，其反过程是不可能发生的。也有可能发生电子与团簇的碰撞：

这个过程对大团簇更有效，这就很好理解大多数团簇是带负电的。以上三个方程描述了团簇离化的过程，可以推断至少有80％的团簇是离化的。

另外，冷凝区的入口和出口直径的大小对于所形成的团簇的特性的影响：冷凝区入口和出口直径的大小直接影响团簇在冷凝区的停留时间，这对于团簇的大小影响很大，一般来说，孔径越小，团簇尺寸越大，但尺寸过小，在沉积衬底上，会产生很明显的衍射环。我们将孔径固定在5mm内调节，以确保得到较高质量的薄膜。另外，我们将最后一级光阑设计成锥状，以保证在加电压时，电场的均匀分布。

溅射出来的原子或原子团相互碰撞形成较大的原子团，在氩气的携带下通过差分抽气区，进入蒸发沉积区。原子团簇被同时蒸发的CaF₂介质包埋，沉积在石英玻璃片上，团簇的尺寸可以通过改变溅射气压控制在2～70nm范围，嵌埋金属的体积百分比为20％-70％。

本发明的优点与积极效果：本项发明可以直接得到纳米量级的金属Cu嵌埋团簇，不需要再进行热处理或其它后续处理。此外团簇的尺寸可以控制在2～70nm，它是通过改变溅射气压来控制的。该团簇复合膜具有饱和吸收之特点，响应速度快、响应时间短。可以用作光电开关，大大提高了光电响应速度。

说明书附图说明：

图1溅射产生团簇设备示意图

1-进气入口；2-溅射靶；3-冷凝区；4-样品架；5-油增压泵；

6-分子泵；7-光阑；8-蒸发源。

(I)磁控溅射区；(II)差分抽气区；(III)沉积区。

图2 Kerr效应响应信号

图3光学开关示意图

9-样品；    10-泵浦光；  11-探测光

实施例：

该团簇膜在光电器件可用作光电开关，如图3所示，由于金属/绝缘体团簇膜具有饱和光吸收的特点，并且响应速度很快，响应时间小于150fs。当泵浦脉冲光(脉宽150fs)通过时，样品产生饱和光吸收，样品被漂白，探测光可以通过。而脉冲通过前后探测光都被完全吸收，即无探测光通过，达到了光开关的作用。