CN1157722C

CN1157722C - 含有无序纳米复合薄膜的光存储介质及其应用

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Publication number: CN1157722C
Application number: CNB021236496A
Authority: CN
Inventors: 区定容; 朱静; 王佳; 朱若剑; 赵嘉昊; 周惠华
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2002-07-05
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2004-07-14
Anticipated expiration: 2022-07-05
Also published as: CN1395241A

Abstract

含有无序纳米复合薄膜的光存储介质及其应用，属于光存储器技术领域，其特征在于它含有：第一间隔层；第二间隔层；夹于第一间隔层和第二间隔层之间的无序纳米复合薄膜结构层，它含有以下组分：透光能力较好的绝缘体或宽能隙半导体；金属、半金属或半导体的任何一种或多种，它的体积分数为0.3～0.7；上述两种组分的分散方式是随机无序分布的颗粒或分形结构，它们的单元直径在0.5～50nm之间。相应地，提出了用上述光存储介质制造的可擦写光盘和只读光盘的结构。这种光存储介质具有光学近场范围内的局域表面等离子体光增强以及超衍射分辨的作用，可以实现超高密度光存储，同时这种光存储介质还具有热稳定性高，透光性好，光能利用率高等优点。

Description

含有无序纳米复合薄膜的光存储介质及其应用

技术领域

含有无序纳米复合薄膜的光存储介质，属于光存储介质制造技术，同时还涉及它在光盘中的应用。

背景技术

近场光学方法用于光存储可以克服衍射极限的限制，使光存储容量大大提高。早期的近场光存储的方案主要是利用光学探针在光学近场的范围内进行记录，其缺点是光学探针与光盘之间的纳米量级飞行高度不容易测量控制。1998年，Tominaga等人提出利用一种夹层结构——SiN(170nm)/Sb(15nm)/SiN(20nm)——可以很方便的实现近场超高密度光存储。这种夹层式超衍射分辨近场结构不仅可以应用于光存储领域，还可以应用于其他的需要克服光学衍射极限的领域，如光刻，光学显微等等。

这种夹层式超衍射分辨膜层结构的作用机理是基于某种金属材料的光学非线性效应。聚焦的激光束透过保护膜层或间隔膜层照射到Sb膜，当激光功率达到一定阈值时，由于Sb膜的非线性作用，激光光束穿透Sb膜，且透过光束的直径缩小。Sb膜起到类似于近场光学显微镜中的“纳米孔径探针”的作用。而近场距离由Sb膜与记录层之间的间隔层SiN膜的厚度(20nm)控制，不受飞行高度的影响。随后Tsai等人经过研究发现SiN(170nm)/Sb(15nm)/SiN(20nm)结构的超衍射分辨作用与Sb/SiN界面上的表面等离子体波有关。

但是SiN(170nm)/Sb(15nm)/SiN(20nm)结构也存在以下问题：(1)Sb膜的熔点较低，热稳定性差；(2)Sb膜的透光率较低(一般为10％～20％)，光能损失大；(3)Sb膜的结晶状况以及表面粗糙度对性能的影响较大，不利于生产的稳定性和性能的可重复性；(4)非金属/金属(或半金属)界面上的表面等离子体波的激发与光的入射方向有关，聚焦光束中只有大于临界角的那一部分光才会对等离子体激发有贡献，激发效率较低，而且要求光学系统具有较大的数值孔径。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有近场等离子增强和超衍射增强作用的含有无序纳米复合薄膜的光存储介质，该介质还具有透光性好、热稳定性好而且光能利用率高的优点，相应地提出了用它制成的两种光盘结构。

本发明提出的含有无序纳米复合薄膜的光存储介质的特征在于它含有：

第一间隔层；

第二间隔层；

夹于第一间隔层和第二间隔层之间用以增强光存储局域光强用的无序纳米复合薄膜结构层，它含有以下组分：

绝缘体和宽能隙半导体中的任何一种；

金属、半金属或窄能隙半导体中的任何一种或多种，它在薄膜中的体积/薄膜中它和绝缘体或宽能隙半导体的总体积，即体积分数为0.3～0.7。

上述两种组分的分散方式是随机无序分布的颗粒和分形结构中的任何一种，颗粒或分形的结构单元的直径在(0.5～50)nm之间。

所述的无序纳米复合薄膜结构层中的金属是Au、Ag、Cu、Zn、Fe、Ni和Al中的任何一种；所述的无序纳米复合薄膜结构层中的半金属是Sb、Bi中的任何一种；所述的无序纳米复合薄膜结构层中的窄能隙半导体是InSb、Hg_1-xCd_xTe中的任何一种；所述的无序纳米复合薄膜结构层中的绝缘体或宽能隙半导体是SiN、SiO、ZnS-SiO中的任何一种。

本发明提出的用含有无序纳米复合薄膜的光存储介质制成的光盘，其特征在于：可擦写光盘，它依次含有厚度在(0.1～2)mm之间的盘基、厚度在(10～200)nm之间的第一间隔层、厚度在(10～150)nm之间的无序纳米复合薄膜结构层、厚度在(0～50)nm之间的第二间隔层、厚度在(5～50)nm之间的记录层、厚度在(0～50)nm之间的反射层以及厚度在(0.01～2)mm间的保护层；只读光盘，它依次含有厚度在(0.1～2)mm之间且预压有信息凹坑的盘基、厚度在(10～200)nm之间的第一间隔层、厚度在(10～150)nm之间的无序纳米复合薄膜结构层、厚度在(0～50)nm之间的第二间隔层、厚度在(0～50)nm之间的反射层以及厚度在(0.01～2)mm间的保护层。

使用证明：本发明具有透光率高、热稳定性好的优点，而且局域光强可以增强10～10000倍，因而它具有超衍射分辨的功能。

附图说明

图1含有无序纳米复合薄膜的光存储介质的剖面图。

图2近场光学纳米微粒局域场增强原理图。

图3随机分布纳米微粒结构电镜照片。

图4基于含有无序纳米复合薄膜的光存储介质的可擦写光盘的剖面图。

图5基于含有无序纳米复合薄膜的光存储介质的只读光盘的剖面图。

具体实施方式

请见图1。1为第一间隔层，2为无序纳米复合薄膜结构层，3为第二间隔层，4为绝缘体或宽能隙半导体组分，5为金属、半金属或窄能隙半导体组分。现结合以下实施例子以一一说明。在激光波长λ＝690nm下：

实施例1：

第一、第二间隔层都是Si₃N₄，厚度依次分别为170nm和50nm；无序纳米复合薄膜结构层由Si₃N₄和Sb构成，Sb的体积分数在本例中为0.66；颗粒的尺寸为20nm，Sb颗粒分散在Si₃N₄基体中，膜厚为150nm，透射率T＝53.08％。

实施例2：

第一、第二间隔层材料和无序纳米复合薄膜结构层的组分都和实施例1相同。Sb的体积分数为0.5；颗粒的尺寸为10nm，膜厚为50nm。第一、第二间隔层的厚度依次分别为50nm和20nm。透射率T＝70.57％。

实施例3：

第一、第二间隔层材料和无序纳米复合薄膜结构层的组分都和实施例1相同。Sb的体积分数为0.33；颗粒的尺寸为0.5nm，膜厚为10nm。第一、第二间隔层的厚度依次分别为20nm和0nm。透射率T＝87.13％。

实施例4：

第一、第二间隔层的材料都是SiO₂，其余同实施例1。

实施例5：

无序纳米复合薄膜结构层中的金属组分为Au，其余同实施例1。

实施例6：

无序纳米复合薄膜结构层中的金属组分为Ag，其余同实施例1。

实施例7-11：

无序纳米复合薄膜结构层中的金属组分为Cu、Zn、Fe、Ni、Al中的任何一种，其余同

实施例1。

实施例12：

无序纳米复合薄膜结构层中的窄能隙半导体为InSb，其余同实施例1。

实施例13：

无序纳米复合薄膜结构层中的窄能隙半导体为Hg_0.9Cd_0.1Te，其余同实施例1。

实施例14：

无序纳米复合薄膜结构层由Si₃N₄和Sb、Al三种组分构成，Sb和Al的体积分数都是0.33，(两者的体积分数之和为0.66)，其余同实施例1。

在以上各例中，用公知的复合靶磁控溅射法来制造无序纳米复合薄膜，溅射气压为0.5～2.0Pa，溅射前背景真空为5×10^-5Pa，在氩气中溅射。由于金属和半导体颗粒包埋在熔点很高的绝缘体和宽能隙半导体中，无序纳米复合薄膜的热稳定性很好，在10mW的聚焦激光(数值孔径NA＝0.65)照射5min后没有发现透射率变化。

实施例15：

在图4中，第一、第二间隔层用Si₃N₄，无序纳米复合薄膜结构层2由Si₃N₄和Sb两种组分组成，Sb的体积分数为0.5，膜厚为50nm。6为入射光光束，10为盘基，厚度为1.2mm，1、3分别为第一、第二间隔层，厚度依次为50nm和5nm，11为记录层，厚度为15nm，12为反射层，厚度为10nm，13为保护层，厚度为0.2mm。记录层11用GeSbTe，反射层12用Al，保护层13和盘基10用聚碳酸脂材料。

实施例16：

在图5中，盘基10上必须预压信息凹坑9。第一、第二间隔层(1、3)，厚度依次为170nm和10nm，6为入射光光束，无序纳米复合薄膜2的厚度为30nm，反射层12厚度为20nm，其余与实施例14同。

由此可见，本发明具有透光率高、热稳定性好的优点。而且如图2所示，当激光束6通过这种无序分布的纳米复合薄膜结构层时，由于金属(或半金属、窄能隙半导体)颗粒7的局域等离子振荡增强效应，在光学近场的范围内会产生很强的局域增强场8。在光学近场范围内，局域光强可以增强10～10000倍。这种增强不受光线入射角的影响，光能的利用率很高。此外，由于这种光增强的效应是局域的，光能被限制在纳米量级的范围内，所以该结构具有超衍射分辨的功能。当这种近场光学局域增强场与记录材料相互作用时，就会在记录材料上记录或读出纳米尺度的记录信息。

Claims

1.含有无序纳米复合薄膜的光存储介质，含有用以实现近场超高密度光存储用的超衍射分辨膜层结构，其特征在于它含有：

第一间隔层；

第二间隔层；

夹于第一间隔层和第二间隔层之间用以增强局域光强用的无序纳米复合薄膜结构层，它含有以下组分：

绝缘体和宽能隙半导体中的任何一种；

金属、半金属或窄能隙半导体中的任何一种或多种，它在薄膜中的体积/薄膜中它和绝缘体或宽能隙半导体的总体积，即体积分数为0.3～0.7；

上述两种组分的分散方式是随机无序分布的颗粒和分形结构中的任何一种，颗粒或分形的结构单元的直径在0.5nm～50nm之间。

2.根据权利要求1所述的含有无序纳米复合薄膜的光存储介质，其特征在于：所述的无序纳米复合薄膜结构层中的金属是Au、Ag、Cu、Zn、Fe、Ni和Al中的任何一种。

3.根据权利要求1所述的含有无序纳米复合薄膜的光存储介质，其特征在于：所述的无序纳米复合薄膜结构层中的半金属是Sb、Bi中的任何一种。

4.根据权利要求1所述的含有无序纳米复合薄膜的光存储介质，其特征在于：所述的无序纳米复合薄膜结构层中的窄能隙半导体是InSb、Hg_1-xCd_xTe中的任何一种。

5.根据权利要求1所述的含有无序纳米复合薄膜的光存储介质，其特征在于：所述的无序纳米复合薄膜结构层中的绝缘体或宽能隙半导体是SiN、SiO、ZnS-SiO中的任何一种。

6.用含有无序纳米复合薄膜的光存储介质制成的可擦写光盘，其特征在于：它依次含有厚度在0.1mm～2mm之间的盘基、厚度在10nm～200nm之间的第一间隔层、厚度在10～150nm之间的无序纳米复合薄膜结构层、厚度在0～50nm之间的第二间隔层、厚度在5nm～50nm之间的记录层、厚度在0～50nm之间的反射层以及厚度在0.01mm～2mm间的保护层。

7.用含有无序纳米复合薄膜的光存储介质制成的只读光盘，其特征在于：它依次含有厚度在0.1mm～2mm之间且预压有信息凹坑的盘基、厚度在10nm～200nm之间的第一间隔层、厚度在10nm～150nm之间的无序纳米复合薄膜结构层、厚度在0～50nm之间的第二间隔层、厚度在0～50nm之间的反射层以及厚度在0.01mm～2mm间的保护层。