CN101797824A - 金属纳米颗粒复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种金属纳米颗粒复合材料及其制备方法，该金属纳米颗粒复合材料包括沉积在基片上的金属层、相变材料层和保护层的多层结构薄膜，在所述的相变基质材料中分散分布有金属纳米颗粒的复合材料。制备方法是利用脉冲激光辐照沉积在基片上的金属层/相变层/保护层薄膜结构上，使被辐照区域在熔化、冷却后形成金属纳米颗粒分散于相变基质材料中的复合材料。该复合材料中金属纳米颗粒的尺寸和分布可以通过改变激光脉冲的参数来调节，相变基质材料的光学常数可以通过改变退火处理条件来调节，形成复合材料的区域可以通过移动激光作用区域来调节。
Description
技术领域
本发明涉及纳米复合材料，特别是一种性能可调的金属纳米颗粒复合材料及其制备方法。可用于超分辨光存储，提高读出信号的信噪比。也可用于表面等离子体光学、近场光学、表面增强拉曼光谱、相变存储、光开关、光导波和光传感等领域。
背景技术
近年来，随着纳米材料技术的发展，激光与纳米复合材料、亚波长表面结构作用过程中呈现出许多新奇的光学性质，引起了人们的极大关注。纳米粒子复合材料是一类具有广泛应用前景的纳米材料，它主要利用纳米粒子所具有的光、电、磁方面的特异性能，通过复合赋予基质材料原来所不具备的特殊性能，可广泛应用于超分辨光存储、表面等离子体光学、近场光学、表面增强拉曼光谱、相变存储、光开关、光导波和光传感等众多领域。例如，当金属纳米颗粒镶嵌于基质材料中，由于金属颗粒的表面等离子共振效应而影响倏逝波(场)，可以实现超分辨光学信息存储，提高小于衍射极限的记录点的读出信号的信噪比。在此前的报道中(参见文献HUkita，Y Ueda，M Sasaki，Read/Write mechanism for a scattered type super-resolutionnear-field structure using an AgOx mask layer and the smallest mark reproduced.Jpn.J.Appl.Phys.2005，44(1A)197-201)，利用金属氧化物的激光致分解反应，可以生成金属纳米颗粒和金属氧化物的复合材料，但材料特性无法调节。
目前纳米颗粒复合材料的制备主要采用化学方法或多靶共溅复合等。这些制备方法容易形成大面积的纳米颗粒复合材料，而无法控制纳米颗粒产生的区域。在某些实际应用中，往往只需要纳米颗粒复合材料存在于一些特定的区域。如在超分辨光盘存储中，记录区域是一些亚波长尺度的点，上述方法并不适合仅仅在记录点区域(一般直径50-800nm)形成金属纳米颗粒复合材料。
本发明提供了一种性能可调的金属纳米颗粒复合材料及其制备方法。与前述技术相比，金属纳米颗粒的尺寸和分布可以通过改变激光脉冲的参数来调节，基质材料的光学常数可以通过改变退火处理条件来调节，形成复合材料的区域可以通过移动激光作用区域来调节，从而控制复合材料的物理性能以及产生金属纳米颗粒复合材料的区域和形状。通过该方法，既可以制备具有纳米特征尺度的特定复合区域(点或线)，也可以制备大面积的金属纳米颗粒复合材料薄膜，且制备和性能控制方法简单。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种金属纳米颗粒复合材料及其制备方法，以实现对复合材料的物理性能以及产生金属纳米颗粒复合材料的区域和形状的调控。
本发明的解决方案如下：
一种金属纳米颗粒复合材料，其特点在于：包括沉积在基片上的金属层、相变材料层和保护层多层结构薄膜，在所述的相变材料中分散分布有金属纳米颗粒的复合材料。
所述的基片为厚度为0.1～3.0mm的Si片、或K9玻璃片、或聚碳酸酯片。
所述的金属层为厚度为5～500nm的Ag、或Au、或Pt、或Cu、或Al薄膜。
所述的相变材料层是厚度为5～500nm的GeSbTe、或AgInSbTe、或SbTe、或SiSb相变材料薄膜。
所述的保护层为厚度0～50nm的SiN或ZnS-SiO2薄膜。
所述的复合材料为厚度为10～1000nm的Ag纳米颗粒-GeSbTe复合材料、或Au纳米颗粒-GeSbTe复合材料、或Pt纳米颗粒-GeSbTe复合材料、或Cu纳米颗粒-GeSbTe复合材料、或Al纳米颗粒-GeSbTe复合材料、或Ag纳米颗粒-AgInSbTe复合材料、或Au纳米颗粒-AgInSbTe复合材料、或Pt纳米颗粒-AgInSbTe复合材料、或Cu纳米颗粒-AgInSbTe复合材料、或Al纳米颗粒-AgInSbTe复合材料、或Ag纳米颗粒-SbTe复合材料、或Au纳米颗粒-SbTe复合材料、或Pt纳米颗粒-SbTe复合材料、或Cu纳米颗粒-SbTe复合材料、或Al纳米颗粒-SbTe复合材料、或Ag纳米颗粒-SiSb复合材料、或Au纳米颗粒-SiSb复合材料、或Pt纳米颗粒-SiSb复合材料、或Cu纳米颗粒-SiSb复合材料、或Al纳米颗粒-SiSb复合材料、或Ag纳米颗粒-GeSb复合材料、或Au纳米颗粒-GeSb复合材料、或Pt纳米颗粒-GeSb复合材料、或Cu纳米颗粒-GeSb复合材料、或Al纳米颗粒-GeSb复合材料。
所述的金属纳米颗粒的尺寸为5～50nm。
上述金属纳米颗粒复合材料的制备方法，包括下列步骤：
①在所述的基片上依次沉积所述的金属层、相变材料层和保护层，构成多层结构薄膜；
②利用激光脉冲辐照所述的多层结构薄膜，形成金属纳米颗粒分散分布于所述的相变材料中的复合材料。
所述的所述复合材料中，金属纳米颗粒的尺寸和分布通过改变激光脉冲的参数(功率和脉宽)来调节，激光功率越大，脉宽越大，金属纳米颗粒的尺寸也越大。相变材料的光学常数折射率和消光系数通过在不同温度下退火处理来调节，加热退火在真空退火炉中完成。形成复合材料的区域通过移动激光作用区域来调节。
本发明的技术效果：
与在先技术相比，本发明获得的金属纳米颗粒复合薄膜的物理性能可控，且制备方法简单，产生金属纳米颗粒复合材料的区域和形状具有选择可控性。
附图说明
图1为本发明制备金属纳米颗粒复合材料的原理示意图
图2为波长为650nm的平面波激光透过金属纳米颗粒-相变基质复合材料薄膜后的近场光分布模拟图，其中曲线(1)为退火前的，曲线(2)为退火后的
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1为本发明制备金属纳米颗粒复合材料的原理示意图。由图可见，本发明金属纳米颗粒复合材料，包括沉积在基片1上的金属层2、相变材料层3和保护层4多层结构薄膜，在所述的相变基质材料中分散分布有金属纳米颗粒的复合材料5。
所述的金属纳米颗粒复合材料的制备方法，该方法包括下列步骤：
①在所述的基片1上依次沉积所述的金属层2、相变材料层3和保护层4，构成多层结构薄膜；
②利用激光脉冲辐照所述的多层结构薄膜，形成金属纳米颗粒分散分布于所述的相变材料中的复合材料5。
复合材料5的制备方法，使用磁控溅射设备，在真空度为1.0×10-4Pa的条件下，在基片1上依次溅射金属层2、相变材料层3和保护层4。然后利用纳秒(皮秒或飞秒)脉冲激光7，通过数值孔径为0.9的物镜6作用于多层膜结构上，在聚焦激光作用区域内形成金属纳米颗粒复合材料5。如图1所示。
所述的所述复合材料5中，金属纳米颗粒的尺寸和分布通过改变激光脉冲的参数来调节，相变材料的光学常数通过改变退火处理条件来调节，形成复合材料的区域通过移动激光作用区域来调节。
实施例1：
参阅图1，图1本发明金属纳米颗粒薄膜制备方法的示意图。多层膜结构是依次在基片1上溅射金属层2和相变材料层3。基本工艺过程大致是：
使用磁控溅射设备，在真空度为1.0×10-4Pa的条件下，在清洁的玻璃基片1上依次溅射Ag金属层(膜厚40nm)、Ge2Sb2Te5相变材料层(膜厚40nm)，形成多层膜结构。然后利用波长为488nm，脉宽为200ns，功率为12mW的纳秒脉冲激光7，通过数值孔径为0.9的物镜6作用于多层膜结构上，在聚焦激光作用区域内形成金属纳米颗粒复合材料5。波长为650nm的平面波激光透过该金属纳米颗粒复合材料薄膜后的近场光分布特性(数值模拟)如图2所示，曲线(1)为退火前的，曲线(2)为退火后的，可以实现光学特性的调节。
实施例3：
基本工艺过程大致是：
多层膜结构是依次在基片1上溅射金属层2和相变材料层3和保护层4。
使用磁控溅射设备，在真空度为1.0×10-4Pa的条件下，在清洁的玻璃基片1上依次溅射Ag金属层2(膜厚60nm)、Ge2Sb2Te5相变材料层3(膜厚40nm)和SiN保护层4(10nm)，形成多层膜结构。然后利用波长为488nm，脉宽为200ns，功率为12mW的纳秒脉冲激光7，通过数值孔径为0.9的物镜6作用于多层膜结构上，在聚焦激光作用区域内形成金属纳米颗粒复合材料5。
其它实施例的具体制备工艺参数如下表1所示，恕我不再重复描述。
表1
| 实施例 | 基底 | 金属层 | 金属层厚度(nm) | 相变层 | 相变层厚度(nm) | 保护层 | 保护层厚度(nm) | 激光功率(mW) | 激光脉宽(ns) | 物镜数值孔径 |
| 2 | K9 | Ag | 20 | Ge2Sb2Te5 | 40 | SiN | 0 | 6-16 | 20-500 | 0.9 |
| 实施例 | 基底 | 金属层 | 金属层厚度(nm) | 相变层 | 相变层厚度(nm) | 保护层 | 保护层厚度(nm) | 激光功率(mW) | 激光脉宽(ns) | 物镜数值孔径 |
| 3 | K9 | Ag | 60 | Ge2Sb2Te5 | 40 | SiN | 10 | 6-16 | 20-500 | 0.9 |
| 4 | Si | Ag | 40 | Ge1Sb4Te7 | 40 | SiN | 15 | 6-16 | 20-500 | 0.9 |
| 5 | K9 | Al | 40 | Ge1Sb4Te7 | 40 | ZnS-SiO2 | 15 | 8-16 | 20-500 | 0.9 |
| 6 | Si | Cu | 30 | AgInSbTe | 30 | ZnS-SiO2 | 20 | 8-16 | 20-500 | 0.9 |
| 7 | Si | Al | 40 | AgInSbTe | 40 | ZnS-SiO2 | 30 | 8-16 | 20-500 | 0.9 |
| 8 | Si | Ag | 40 | Sb2Te3 | 40 | ZnS-SiO2 | 5 | 8-16 | 20-500 | 0.9 |
| 9 | Si | Cu | 40 | Sb2Te3 | 40 | SiN | 5 | 8-16 | 20-500 | 0.9 |
| 10 | Si | Al | 40 | Sb2Te3 | 40 | SiN | 10 | 8-16 | 20-500 | 0.9 |
| 11 | K9 | Ag | 20 | Si15Sb85 | 20 | SiN | 20 | 8-16 | 20-500 | 0.9 |
| 12 | K9 | Ag | 40 | Si15Sb85 | 40 | SiN | 30 | 8-16 | 20-500 | 0.9 |
| 13 | K9 | Ag | 60 | Si15Sb85 | 60 | ZnS-SiO2 | 40 | 8-16 | 20-500 | 0.9 |
| 14 | PC | Ag | 40 | Si15Sb85 | 40 | ZnS-SiO2 | 50 | 8-16 | 20-500 | 0.9 |
| 15 | K9 | Ag | 20 | Ge10Sb90 | 20 | SiN | 20 | 8-16 | 20-500 | 0.9 |
| 16 | K9 | Ag | 40 | Ge10Sb90 | 40 | SiN | 30 | 8-16 | 20-500 | 0.9 |
| 17 | K9 | Ag | 60 | Ge10Sb90 | 60 | ZnS-SiO2 | 40 | 8-16 | 20-500 | 0.9 |
| 18 | PC | Ag | 40 | Ge10Sb90 | 40 | ZnS-SiO2 | 50 | 8-16 | 20-500 | 0.9 |
Claims (9)
1.一种金属纳米颗粒复合材料，其特征在于：包括沉积在基片(1)上的金属层(2)、相变材料层(3)和保护层(4)多层结构薄膜，在所述的相变基质材料中分散分布有金属纳米颗粒的复合材料(5)。
2.根据权利要求1中所述的金属纳米颗粒复合材料，其特征在于：所述的基片(1)为厚度为0.1～3.0mm的Si片、或K9玻璃片、或聚碳酸酯片。
3.根据权利要求1中所述的金属纳米颗粒复合材料，其特征在于：所述的金属层(2)为厚度为5～500nm的Ag、或Au、或Pt、或Cu、或Al薄膜。
4.根据权利要求1中所述的金属纳米颗粒复合材料，其特征在于：所述的相变材料层(3)是厚度为5～500nm的GeSbTe、或AgInSbTe、或SbTe、或SiSb相变材料薄膜。
5.根据权利要求1中所述的金属纳米颗粒复合材料，其特征在于：所述的保护层(4)为厚度0～50nm的SiN或ZnS-SiO2薄膜。
6.根据权利要求1中所述的金属纳米颗粒复合材料，其特征在于：所述的复合材料(5)为厚度为10～1000nm的Ag纳米颗粒-GeSbTe复合材料、或Au纳米颗粒-GeSbTe复合材料、或Pt纳米颗粒-GeSbTe复合材料、或Cu纳米颗粒-GeSbTe复合材料、或Al纳米颗粒-GeSbTe复合材料、或Ag纳米颗粒-AgInSbTe复合材料、或Au纳米颗粒-AgInSbTe复合材料、或Pt纳米颗粒-AgInSbTe复合材料、或Cu纳米颗粒-AgInSbTe复合材料、或Al纳米颗粒-AgInSbTe复合材料、或Ag纳米颗粒-SbTe复合材料、或Au纳米颗粒-SbTe复合材料、或Pt纳米颗粒-SbTe复合材料、或Cu纳米颗粒-SbTe复合材料、或Al纳米颗粒-SbTe复合材料、或Ag纳米颗粒-SiSb复合材料、或Au纳米颗粒-SiSb复合材料、或Pt纳米颗粒-SiSb复合材料、或Cu纳米颗粒-SiSb复合材料、或Al纳米颗粒-SiSb复合材料、或Ag纳米颗粒-GeSb复合材料、或Au纳米颗粒-GeSb复合材料、或Pt纳米颗粒-GeSb复合材料、或Cu纳米颗粒-GeSb复合材料、或Al纳米颗粒-GeSb复合材料。
7.根据权利要求1中所述的金属纳米颗粒复合材料，其特征在于：所述的金属纳米颗粒的尺寸为5～50nm。
8.权利要求1中所述的金属纳米颗粒复合材料的制备方法，其特征在于：该方法包括下列步骤：
①在所述的基片(1)上依次沉积所述的金属层(2)、相变材料层(3)和保护层(4)构成多层结构薄膜；
②利用激光脉冲辐照所述的多层结构薄膜，形成金属纳米颗粒分散分布于所述的相变材料中的复合材料(5)。
9.根据权利要求8所述的金属纳米颗粒复合材料的制备方法，其特征在于：所述的所述复合材料(5)中，金属纳米颗粒的尺寸通过改变激光脉冲的参数。相变材料的光学常数通过在不同温度退火处理条件来调节，形成复合材料的区域通过移动激光作用区域来调节。
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