用于光学性能精细调控的相变薄膜结构

摘要

一种用于光学性能精细调控的相变薄膜结构，上下两层为二氧化硅层，中间为相变层，所述的相变层的材料为碳化钛或碳化硅掺杂的锑‑碲材料，相变层材料结构通式为MC‑(Sb

说明书

技术领域

本发明属于光学调控领域中的薄膜结构，特别是一种用于光学性能精细调控的相变薄膜结构。

背景技术

根据需要设计和控制材料的性质是人类长久以来一直追寻的目标，虽然科研工作者付出了不懈努力，然而至今仍然有许多问题需要解决。对于光学功能材料，对光学系数的调制显得格外重要。在光器件中材料的复折射率是决定材料光学性质十分重要的参量之一。

将相变材料应用于超分子水平的开关是很有前景的，它能够实现在纳米尺度上光学开关特性。相变材料光学性质的二阶或者多阶转变通常源于激光诱导材料的部分晶化。由于超短激光脉冲能够很大程度上抑制热扩散，因此很适合精确控制相变材料的晶化行为。最近的研究表明，通过飞秒脉冲重复照射相变薄膜的同一区域，能够实现材料反射率的连续转变。多脉冲激光诱导相变材料部分晶化有助于实现在存储、显示与成像以及智能计算领域的多值编码。

Sb₂Te₃由于其成核结晶机制，具有相变速度快的优点。但稳定性能差、反射率对比度小等特点制约其在光学调控领域中的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种用于光学性能精细调控的相变薄膜结构，该相变薄膜结构具有相变速度快、热稳定性高的特点。经过激光辐照处理后，随温度变化的电阻率(或反射率)没有显著的突变点，可用于光学精细调控。该相变薄膜结构可广泛应用于纳米尺度光电开关、超快光转换、超分辨光存储等多个领域。

本发明采用如下技术方案：

一种用于光学性能精细调控的相变薄膜结构，其特点在于是一种“三明治”结构的薄膜，上下两层为二氧化硅层，中间为相变层，所述的相变层的材料为碳化钛或碳化硅掺杂的锑-碲材料，相变层材料结构通式为MC-(Sb₂Te₃)x，其中，M为钛或硅，x的取值范围为0.5＜X＜1。

所述的二氧化硅层的厚度为40-200纳米，中间相变层的厚度为10-50纳米。

所述的薄膜结构相变层采用磁控溅射法制备而成，且溅射时采用TiC或SiC合金靶及Sb₂Te₃靶共溅射。

所述的中间相变层中的TiC或SiC以非晶态形式存在。

本发明的有益效果在于：

本发明相变薄膜结构，经过激光辐照处理后，随温度变化的电阻率(或反射率)没有显著的突变点。可以在纳米尺度实现光学常数精细调控，并在脱机状态下保持调控状态，该相变薄膜结构具有相变速度快、热稳定性高的特点。

附图说明

图1为Sb2Te和SiC-(Sb₂Te₃)_0.76薄膜电阻随温度变化曲线图。

图2为Sb₂Te₃和SiC-(Sb₂Te₃)_X反射率对比度随能流密度的变化曲线。

图3为中间层是SiC-(Sb₂Te₃)_X的薄膜结构，反射率随脉冲数目变化的曲线图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的做进一步描述：

本发明用于光学性能精细调控的相变薄膜结构，是一种“三明治”结构的薄膜，上下两层为二氧化硅层，中间为相变层，所述的相变层的材料为碳化钛或碳化硅掺杂的锑-碲材料，相变层材料结构通式为MC-(Sb₂Te₃)x，其中，M为钛或硅，x的取值范围为0.5＜X＜1。

所述的二氧化硅层的厚度为40-200纳米，中间相变层的厚度为10-50纳米。

所述的薄膜结构相变层采用磁控溅射法制备而成，且溅射时采用TiC(或SiC)合金靶及Sb₂Te₃靶共溅射。

所述的中间相变层中的TiC或SiC以非晶态形式存在。

实施例1

利用磁控溅射生长本发明于光学性能精细调控的相变薄膜结构。氩气流量设置为50SCCM，溅射气压为0.20Pa。控制SiO₂靶直流功率为100W,生长时间为20分钟，在衬底上长一层厚度为50nm的SiO₂薄膜。然后利用Sb₂Te₃靶和TiC靶共溅射，长一层20nm的相变薄膜。最后控制SiO₂靶直流功率为100W,生长时间为40min，在所述的相变薄膜上长一层厚度为100nm的SiO₂薄膜。

实施例2.

固定Sb₂Te₃靶的交流功率15W,通过改变TiC的功率可得到不同组分。以下为最优组分时的TiC功率：

(1)TiC-(Sb₂Te₃)_0.81薄膜，TiC的功率为10W

(2)TiC-(Sb₂Te₃)_0.76薄膜，TiC的功率为19W

(3)TiC-(Sb₂Te₃)_0.64薄膜，TiC的功率为33W

激光辐照预处理。以频率为1000Hz，波长为600nm，功率为10.3mW/cm²(选择的一种较小功率)的飞秒激光脉冲照射结构薄，使薄膜部分晶化。

经过激光辐照处理的TiC-(Sb₂Te₃)_0.76薄膜，进行R-T测试。结果如图1所示，从图1可以看出薄膜高低电阻相差达到四个数量级。在50-250℃温度区间内，其电阻率随温度变化没有显著的突变点。

对材料的反射率对比对测试。连续增加激光脉冲数目，使材料的反射率变化，测试结果如图2所示。从图2可见，TiC-(Sb₂Te₃)_0.76材料的反射率对比度高达49％，远高于Sb₂Te₃(10％)。

对结构薄膜反射率进行调控：

以频率为1000Hz，波长为600nm的飞秒激光脉冲照射结构薄膜。调节激光脉冲功率，使MC-Sb₂Te₃的光学系数发生连续变化。在激光脉冲功率为20.7mW/cm²、28.3mW/cm²、32.7mW/cm²、38.2mW/cm²、44.3mW/cm²时，结构薄膜反射率随脉冲数目变化的的曲线如图3所示。

以下对所述激光调制反射率变化的方法做进一步描述：

1.本调制方法使用一套飞秒激光诱导相变平台，样品台通过可编程控制器实现四维运动(三维空间+旋转)，运动的线速度、角速度可调。

2.飞秒激光通过透镜聚焦，垂直入射到样品表面，光斑直径0.8mm。所用飞秒激光器工作中心波长800nm，输出脉宽130fs，重复频率1-1000Hz范围可调。

3.通过使样品同时旋转和平移实现大面积调制。选择合适的线速度和角速度，使激光尽可能均匀的作用于样品上。实验中使用角速度0.7rad/s，平移速度0.02mm/s。

4.通过控制激光脉冲数密度或激光脉冲强度使材料发生不同程度的相变，从而实现反射率调制。

综上所述，本发明用于光学性能精细调控的相变薄膜结构，经过激光辐照处理后，随温度变化的电阻率(或反射率)没有显著的突变点，可以实现精细调控。本发明相变薄膜结构具有Sb₂Te₃相变速度快、热稳定性较高、晶态非晶态反射率对比度较高的特点。可在纳米尺度上实现调控，在微结构中具有广泛应用前景。