一種具有層疊結構的金屬-有機複合功能薄膜及其應用的製作方法

2023-11-04 04:31:42 2

專利名稱：一種具有層疊結構的金屬-有機複合功能薄膜及其應用的製作方法
技術領域：
本發明屬於納米材料、功能薄膜以及光信息存儲技術領域，具體涉及一種具有層疊結 構的金屬-有機複合功能薄膜及其應用。
背景技術：
在雷射信息存儲技術領域有二個關鍵問題需要進一步發展 一是發展先進的光存儲系 統，二是發展新型的光存儲介質。目前，將納米材料和技術應用到光科學領域中已引起人 們的重視，但是如何有效地將納米材料集成到功能薄膜和器件中仍然有許多技術問題需要 解決，包括製作方法、材料篩選、工藝技術的可行性以及成本等。
發明人前期曾經開發出氰基取代的含雜環烯酮縮胺分子材料，並實現了有機薄膜器件 的多重態電存儲功能。([l]徐偉，呂銀祥，華中一，氰基取代的含雜環烯酮縮胺分子材料
及其製備方法，發明專利申請號02111272.X ; [2] Peng Guo, Yuan-Wei Dong, Xin Ji, Yin-Xiang Lu, Wei Xu. Nonvolatile multilevel conductance and memory effect in molecule-based devices. /￡￡￡￡7e"raw DeWce丄erters, 2007, 28(7》572-574)
氰基取代的含雜環烯酮縮胺分子材料是一類比較特殊的具有推吸電子特徵的有機分 子，而且分子材料本身還有很好的穩定性。這類分子材料在光科學領域中的應用還需要進 一步開發，希望能取代傳統的偶氮金屬染料和二芳基乙烯類染料等，成為一類高性能的光 信息存儲介質用材料。([3]趙劍鋒，雷玉平，徐利敏，郭文勇，偶氮金屬染料在DVDR 光存儲介質中的開發應用，《#^"浙//7眾工，2007年第1期，第1~5頁；[4]鄭楠，劉 之景，偶氮聚合物光存儲研究進展，^#片冶7^"術，2006年第3期，130~134; [5]劉 學東，石明，張復實，有機光致變色材料的合成與多階存儲實驗研究，勸激//衫與器伴學 /見2006， 12 (2): 117~119; [6]江濤，信息存儲新領域——全息存儲及其材料，信息 記錄材料，2006， 7 (6): 32~36.)
本發明採用氰基取代的含雜環烯酮縮胺分子材料作為有機介質層，以有機層和超薄納 米金屬層的複合層作為功能層來實現具體的光學功能和光信息存儲功能。既拓展了有機分 子材料的應用領域，又解決了納米材料的製備與功能薄膜的整合問題，從而發展出一種簡 單可行的製備功能薄膜的方法。

發明內容
本發明的目的在於提出一種具有光學功能和光信息存儲功能的層疊結構的金屬-有機 複合功能薄膜及其應用。
本發明提供的金屬-有機複合功能薄膜由多層薄膜堆疊而成，多層薄膜的次序為基底、 金屬層、有機層、納米厚度的金屬層，其結構如圖l所示。其中的核心結構是在有機層表 面上沉積納米厚度的金屬層，有機層和納米厚度的金屬層一起作為功能層；基底表面上的 金屬層作為背景或者反射層。
本發明提出具有層疊結構的金屬-有機複合功能薄膜，其中的基底只要表面平整即可， 對材料組成沒有要求，可以採用金屬或者無機材料，也可以採用聚合物材料；金屬層採用 鋁或者金，厚度為50-300納米；有機層採用氰基取代的含雜環烯酮縮胺分子材料，厚度為
30-150納米；納米厚度的金屬層，採用銀(Ag)，厚度小於30納米(例如l-30納米)。
在本發明中，用於製作有機層的氰基取代的含雜環烯酮縮胺分子材料具體可採用 2-(六氫嘧啶-2-亞基)丙二腈；該分子材料的結構式如圖2所示，英文名稱為 2-(hexahydropyrimidin-2-ylidene)-malononitrile,簡稱HPYM。
本發明還提出具有層疊結構的金屬-有機複合功能薄膜的製備方法，具體步驟如下在 潔淨的平整基底上(比如載波片)，採用真空熱蒸發的方法蒸鍍鋁膜或金膜(厚度50 300
納米)，然後沉積有機層HPYM (厚度30-150納米)，然後再沉積超薄銀膜(厚度為1 30 納米)。即完成功能薄膜的製備。
本發明還提出具有層疊結構的金屬-有機複合功能薄膜的應用，之一是作為顯色材料。 當有機層上面的銀薄膜的厚度從1納米變化到接近30納米的時候，薄膜的顏色可以發生 明顯的變化，可以分別獲得各種不同的顏色。即薄膜的顏色可以通過控制銀薄膜的厚度來 控制。這種顏色可控的複合功能薄膜能實現多種顏色顯示，在防偽技術領域以及商標保護 方面具有應用價值。
本發明還提出具有層疊結構的金屬-有機複合功能薄膜的另一種應用是作為光信息存 儲介質。當超薄銀膜的厚度為2 8納米，這種複合功能薄膜能夠用雷射直接寫入信號，在 光學顯微鏡下能看到光亮的雷射斑點，因此可以作為光信息存儲介質使用。如果沒有這2~8 納米厚的超薄銀膜，實際已證明無法用雷射寫入；如果銀膜的厚度過大(比如超過15納 米)，要用雷射寫入就很困難。
掃描電子顯微鏡(SEM)觀察證明，對於被寫入區域，至少表面微結構已發生變化， 並伴有納米結構形成。說明雷射寫入區與未寫入區的結構存在差別。


圖1為具有層疊結構的金屬-有機複合功能薄膜的結構示意圖. 圖2為用於製備有機層的分子材料HPYM
圖3為Al/HPYM/Nano-Ag複合功能薄膜用做光學顯色材料，薄膜的顏色從左到右分別 為淺紫色、藍色、土黃色、淺黃色；與之相對應，銀超薄膜的厚度分別約為2納米、5 納米、IO納米、18納米。
圖4為Al/HPYM/5nmAg複合功能薄膜用做光存儲介質，能夠用雷射寫入，在光學反射 顯微鏡下表現為亮點。.
圖5為沒有鋁反射層，HPYM/5nm Ag薄膜用做光存儲介質，也能夠用雷射寫入，但在 光學反射顯微鏡下表現為暗點。
圖6為用雷射進行多信息點寫入後，再分別用光學反射顯微鏡和掃描電子顯微鏡對同 一區域成像。其中，(a)光學反射顯微鏡觀察得到的圖像；(b)掃描電子顯微鏡觀察得到 的圖像；(c)掃描電子顯微鏡對其中2個斑點所成的高分辨圖像。
圖中標號1為基底；2為金屬層；3為有機層(HPYM); 4為納米厚度金屬層(Ag)
具體實施例方式
下面通過實施例進一步描述具有層疊結構的金屬-有機複合功能薄膜的製備方法以及 二種用途
實施例1 (Al/HPYM/Nano-Ag複合功能薄膜用做光學顯色材料)
以清潔的載波片為基底，在10^Pa量級的壓強下用真空熱蒸發的方法蒸鍍300納米厚 的鋁膜作為金屬層，然後再蒸鍍106納米厚的HPYM分子層(蒸發速率0.7A/s左右)，最 後沉積厚度小於30納米的銀超薄層(蒸發速率0.5A/s左右)。即完成Al/HPYM/Nano-Ag 複合功能薄膜的製備。
採用上述方法分別製備以下4種複合功能薄膜。這4種複合功能薄膜中鋁膜和HPYM 分子層的厚度都相同，但是超薄銀膜的厚度分別約為2納米、5納米、10納米、18納米。 (薄膜的厚度由Sigma SQM-160測厚儀監測)
這4種薄膜在大氣環境中分別顯示不同的顏色，如圖3中的照片所示。照片中(從左 到右)，4種薄膜顏色分別為淺紫色、藍色、土黃色、淺黃色。與這4種顏色相對應，銀 超薄膜的厚度分別約為2納米、5納米、10納米、18納米。 實施例2 (Al/HPYM/Nano-Ag複合功能薄膜用做光存儲介質)
以清潔的載波片為基底，在10—卞a量級的壓強下用真空熱蒸發的方法蒸鍍70 300納 米厚的鋁膜作為金屬反射層，然後再蒸鍍約100納米厚的HPYM分子層，最後沉積厚度約 5納米的銀超薄層(蒸發速率0.5A/s左右)。即完成Al/HPYM/5mn-Ag複合功能薄膜的製備。
這種複合功能薄膜能夠用雷射寫入，如圖4所示。圖中的二個亮點表示用波長632.8 納米雷射(功率小於5毫瓦)寫入後，在光學反射顯微鏡下的圖像，亮點的直徑約1 2微 米。
如果複合功能薄膜中沒有鋁反射層，信息寫入點在光學顯微鏡下變成暗點，如圖5所 示。圖中的二個暗點表示用波長632.8納米雷射寫入後，在光學反射顯微鏡下的圖像，暗 點的直徑約1~2微米。
本實施例說明，複合功能薄膜中起作用的是有機層和納米厚度的銀層。在光學顯微鏡 下，有鋁反射層的時候，寫入點反射性能明顯增強；沒有鋁反射層的時候，寫入點透射增 加，反射變弱。
為了進一步驗證光信息寫入斑點與未寫入區的差別，對Al/HPYM/5nm-Ag複合功能薄 膜進行多點寫入，然後再分別用光學反射顯微鏡和掃描電子顯微鏡對同一區域成像。圖 6(a)是多信息點寫入後，光學反射顯微鏡觀察得到的圖象；圖6(b)是相對應區域用掃描 電子顯微鏡觀察得到的圖象；圖6(c)是掃描電子顯微鏡對其中2個斑點所成的高分辨圖 像。
實驗觀察說明，光學顯微鏡觀察得到的圖像與掃描電子顯微鏡觀察得到的圖像完全符 合。高分辨的SEM圖像還顯示寫入區存在微結構變化，與未寫入區相比明顯不同。雷射 寫入後，寫入區的表面有納米結構形成，並伴有細小的皸裂產生。
權利要求
1、一種具有層疊結構的金屬-有機複合功能薄膜，其特徵在於由多層薄膜堆疊而成，多層薄膜的次序為基底、金屬層、有機層、納米厚度的金屬層；其中，所述金屬層為鋁膜或金膜，厚度為50-300納米；所述有機層為2-(六氫嘧啶-2-亞基)丙二腈膜，厚度為30-150納米；所述納米厚度的金屬層採用銀膜，厚度為1-30納米。
2、 根據權利要求1所述的具有層疊結構的金屬-有機複合功能薄膜，其特徵在於所述 銀膜厚度為2-8納米。
3、 根據權利要求1或2所述的具有層疊結構的金屬-有機複合功能薄膜的製備方法， 其特徵在於具體步驟為在潔淨的平整基底上，採用真空熱蒸發的方法蒸鍍鋁膜或金膜， 厚度為50~300納米，然後沉積有機層2-(六氫嘧啶-2-亞基)丙二腈膜，厚度為30 150納米， 然後再沉積銀膜，厚度為1 30納米。
4、 一種如權利要求1所述的具有層疊結構的金屬-有機複合功能薄膜作為光學顯色材 料的應用。
5、 一種如權利要求2所述的具有層疊結構的金屬-有機複合功能薄膜作為光存儲介質 的應用。
全文摘要
本發明屬於納米材料、功能薄膜以及光信息存儲技術領域，具體為一種具有層疊結構的金屬-有機複合功能薄膜及其應用。該複合功能薄膜由多層薄膜堆疊而成，多層薄膜的次序為基底、金屬層、有機層、以及納米厚度金屬層；其中的有機層採用氰基取代的含雜環烯酮縮胺分子材料，納米厚度的金屬層採用銀。這種複合型的薄膜可以作為光信息存儲介質使用，能夠用雷射直接寫入。此外，通過控制納米厚度金屬層的厚度，該複合薄膜本身可以獲得可控的顏色變化，能實現多種顏色顯示，因此可以作為顯色材料使用，在防偽技術領域以及商標保護等方面有應用價值。
文檔編號C23C14/06GK101293409SQ20081003921
公開日2008年10月29日 申請日期2008年6月19日 優先權日2008年6月19日
發明者嚴翔翔, 偉 徐, 董元偉, 鵬 郭 申請人:復旦大學