Ag-Si纳米薄膜的磁控溅射法制备及其光学性质研究信息科学与工程学院王光中冯文赫指导教师李晶摘要：信息时代的今天，人们在追求大容量硬盘的同时对记录密度提出了更高的要求。
本文通过对Ag-Si纳米薄膜的磁控溅射法制备出在宽光谱（420nm-620nm）范围内对温度具有选择透过性的薄膜，可以有效的应用在激光热辅助磁记录中减小光斑尺寸，增加磁记录密度。
关键词:Ag-Si纳米薄膜热辅助磁记录磁控溅射Abstract: Nowadays, the increasing need in data storage has pushed the hard disk drive(HDD) into a rapid increase in areal density. In this paper we make an Ag-Si nanofilm through magnetic controlled sputtering (MCS), which is temperature-select transparent under wide spectrum (420nm-600nm).It can be applied in heat-assisted magnetic recording (HAMR) to reduce the radius of the laser facula and increase the density of HDD.Keywords: Ag-Si nanofilm HAMR MCS引言20世纪末以来，随着纳米科技的迅速发展，越来越多的纳米材料及技术已在人们的实际工作和生活中得到应用。
纳米材料是指特征维度尺寸在1～100纳米范围内的由极细晶粒组成的一类固体材料,包括晶态、非晶态和准晶态的金属、陶瓷和复合材料等,是80年代中期发展起来的一种新型多功能材料。
由于纳米结构的单元尺度(1～100nm)与物质的许多特征长度,如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当,从而导致纳米材料和纳米结构在介观领域具有奇特的力学、电学、磁学、光学、热学及化学等方面的性能, 我国科学家钱学森曾指出:“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科学技术发展的重点,会是一次技术革命,从而将引起21世纪又一次产业革命。
”1而世界各国也在积极而广泛地开展纳米技术的研究工作. 如今,纳米材料正在向国民经济和高技术各个领域渗透,并将为人类社会进步带来巨大影响。
纳米材料的研究主要有三个方向: 一是对纳米晶体的研究,以80年代初德国科学家H·Gleiter2提出纳米晶体材料的概念, 并采用人工方法首次合成纳米晶体为标志,即在实验室探索各种方法,技术制备各种材料的纳米颗粒粉体,合成块体,对材料的特殊性能进行探索;二是对纳米结构的研究,即以纳米颗粒、纳米丝、纳米管为基本单元在空间组装排列成具有纳米结构的体系,以1991年日本的Iijima 等3对碳纳米管的发现为代表;三是对纳米复合材料的研究,即利用纳米材料的物理、化学、力学性能设计纳米复合材料,如纳米微粒与纳米微粒复合、纳米微粒与常规块体复合或发展复合纳米薄膜,目前世界范围内该领域开展较为广泛.纳米薄膜按用途可以分为两大类：纳米功能薄膜和纳米结构薄膜。
前者主要是利用纳米粒子所具有的光、电、磁方面的特性,通过复合使新材料具有基体所不具备的特殊功能。
后者主要是通过纳米粒子复合,提高材料在机械方面的性能。
纳米材料由于其产生的量子尺寸效应、表面与界面效应,具备了常规材料所不具备的奇异光学性能：（1）宽频带强吸收 (2) 蓝移和宽化 (3)光的非线性效应（4）量子效应由于以上的一系列性质，纳米薄膜在许多领域内都有着广泛的应用前景。
值得一提的是，基于近场光学突破衍射极限的原理，在激光与纳米薄膜结构相互作用的过程中，通过表面等离子体激发、非线性光学特性、超透镜效应等可以实现超分辨率超高记录密度的纳米存储，有望形成下一代太位级(Tb)纳米光存储器件的基础。
纳米微结构的特殊光学性质研究是纳米材料和量子器件研究的核心和1 钱学森. 钱学森文集. 科学出版社,19912 Birriiner R.,Gleiter H.,et al.[J].Phys.Lett.,1984,102A:365.3 Iijima S, Ichihashi T. Nature, 1993, 363: 603热点，有广阔的应用前景。
特别是外场联合作用下的纳米存储技术(如光磁混合存储，光电混合存储等)将为超分辨纳米薄膜结构的应用开辟新的领域。
4金属/非金属介质纳米复合物的光学和介电特性与其微细结构密切相关,这方面已经进行了大量的理论和实验研究,归纳出四类不同微结构模型,并提出了与之相适应的有效介质理论:(1)弥散微结构与Maxwell Garnett(MG)理论5 (2)对称微结构与Bruggeman自洽理论6 (3)粒状金属微结构与沈平理论7 (4)级联微结构与微分有效媒质(DEM)理论8。
本文所研制的Ag-Si纳米薄膜属于贵金属-半导体薄膜，贵金属纳米材料作为纳米材料的重要组成部分，具有自己独特的性能:已发现1～10nm贵金属纳米材料具有新的电子及催化性能.将贵金属纳米颗粒镶嵌在不同的基底中得到的纳米薄膜具有与体相材料不同的光电特性,从而在微光电器件的研发领域表现出了诱人的应用前景。
例如, Brust等9利用自组装方法将直径为6nm的Au颗粒沉积在玻璃基底上, 并发现该薄膜的光学、电学响应具有非金属特性。
Koshizaki等10用磁共振溅射技术成功地制备了Au/SiO2复合纳米薄膜,在绝缘SiO基质中金纳米粒子的数密度高达14000μm-2,相邻粒子间的2平均距离约为8nm,该薄膜中SiO2的绝缘性质和单分散的Au纳米粒子导电性质的结合,在将共轭有机分子固定到该薄膜上之后,其电流增加约105倍。
这一结果为该复合贵金属膜用于分子电导测定奠定了实验基础,也为分子电导的测定开辟了一条新的路径。
Lin等11采用磁控溅射方法在p—Si(111)衬底上淀积5nm的Pt 膜，退火后形成PtSi薄膜，原子力显微镜和高分辨电子显微镜观察了PtSi薄膜的表面和界面特征．PtSi／p—Si肖特基势垒红外探测器制备工艺简单、响应均匀性好并且与大规模集成电路高度兼容，在长线阵和大面阵中迅速发展. 丁春志等12对Varian 3180磁控溅射台溅射的Al一Sil%合金膜进行检测，达到了工业生产要求.4 翟凤潇,王阳,吴谊群,干福熹.纳米光存储薄膜结构的光学性质[J].光学材料,2007,V ol.44, No.125 P.Sheng, Phys. Rev. Lett., 45(1980),60.J. C. Maxwell Carnett,6 Phil.Trans.Roy.Soc.London,A203(1904),385.7 D. A. G. Bruggeman, Ann. Phys. (Leipzig), 24(1935), 636.8 A.N.Norris,A.T.Callegari,P.Sheng,J.Mech.Phys.Solids,33(1985),525.Brust M, Bethell D , Kiely C J , Schiffrin D J . Langmuir, 1998 , 14 : 5425.9 Brust M, Bethell D , Kiely C J , Schiffrin D J . Langmuir, 1998 , 14 : 5425.10 D G Kim,Y Shimizu ,T Sasaki et al . Nanotech. ,2007 ,18 : 1457031D. G. Kim,E Koyama ,Y. Kikkawa et al . Nanotech. ,2007 ,18 : 205501111 T. L. Lin，J. S. Park，T. George，et a1．Long-wavelength PtSi infrared detectors fabricated by incorporating a p+ doping spike grown by molecular beam epitaxy．Appl Phys Lett，199312 丁春志，董岩，磁控溅射铝硅合金膜的工艺研究，微处理机，1998第二期长期以来,银粒子由于其优良的光学性质及其应用而受到人们的关注.在所有的金属材料中,Ag对可见光和红外光的反射比最高(对可见光的反射比达0.95左右,对红外光的反射比可达0.99),且其偏振效应最小.因此,Ag是可见光和近红外光区的重要光学材料.Wang等13研究了镶嵌有Ag微粒BaTiO3薄膜的光学特性,并在实验中发现基底结构会对Ag粒子的吸收光谱产生很大影响。
Lee等14在在镀C 的Cu网、单晶Si及玻璃基底上沉积了2~10nm的纳米Ag颗粒，并对粒子的尺寸、形状、复合介电常数和填充因子等影响纳米Ag颗粒光学特性的因素进行了研究。
发现特征等离子体吸收峰的峰位置随着膜厚、颗粒粒径和颗粒填充因子的增大而向长波方向移动。
分析后认为对纳米Ag颗粒复合介电常数起决定作用的是基底。
Prevel等15将Au,Ag等贵金属纳米颗粒沉积在多孔铝基底上得到纳米结构薄膜,并在其吸收光谱中观察到表面等离子体共振峰随颗粒尺寸的增大而红移。
Yang等16利用溅射法将Ag微粒沉积在SiO2基底中得到复合纳米薄膜,发现其等离子体共振吸收峰随着Ag颗粒直径的减小而减弱并蓝移,并利用Mie氏理论进行了数值模拟。
Charton等17利用磁控管溅射法制备了Ag纳米薄膜,并研究了溅射压力等实验因素对薄膜光学特性的影响。
Pedersen等18在Si基底上制备了Au,Ag纳米薄膜,并研究了其二阶非线性光学效应。
1992年Motofumi19等利用真空蒸发技术制备了Ag-SiO2复合结构膜，纳米Ag颗粒（粒径在2~30nm之间）镶嵌在柱状的SiO2薄膜中。
研究发现，Ag-SiO2复合结构膜出现了特征等离子体共振吸收峰。
膜的透过率与入射光的入射角和极化密切相关，这种选择透过性是目前的研究热点之一。
而Ag/玻璃纳米复合膜，可用于光开关器件中.1993年，Georges20等用胶体方法在Ge基底上制备了纳米Ag颗粒（颗粒直径为10~22nm），并对Ag/Ge的介电常数进行了计算和讨论。
Hodel21等在1996年利用扫描隧道显13 Wang B , Zhang L D. Applied Surface Science, 1998, 133 : 152.14 LEE M H,Dobson P J,Cantor B.Optical properties of evaporated small silver particles[J].Thin SolidFilms,199215 Prevel B , Lerme J , Gaudry M , Cottancin E , Pellarin M , Treilleux M , Melinon P , Perez A , Vialle J L , Broyer M. Scripta Mater., 2001 , 44 :1235.16 Yang L , Liu Y L , Wang Q M , Shi H Z , Li G H , Zhang L D. Microelectronic Engineering , 2003 , 66 : 192.17 Charton C , Fahland M. Surface and Coatings Technology , 2003 , 1742175 : 181.18 Pedersen T G, Pedersen K, Kristensen T B. Thin Solid Films , 2000 , 364 : 86.19 Motofumu S,Yasunori T.Anisotropy in the optical absorption of Ag-SiO2 thin films with oblique columnar structures[J].J Appl Phys,199220 Ashrit P V,Georges B,Simona B,et al.Dielectric constants of silver particles finely dispersed in a gelatinfilm[J].J Appl Phys,199321 Hodel U,Memment U,Hartmann V.Local modification of Ag thin films on Si(100) by scanning tunneling microscopy[J].Phys Rev B,1996微镜成功地对沉积在Si（100）表面上的纳米Ag膜进行了局部改性和加工。