第３７卷２ ０ ０ １年第１０期 １０月 仓庸学厦 ＡＣＴＡ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ Ｖｏ１．３７ Ｎ０．１０ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２ ０ ０ｌ 超薄Ｆｅ膜吸收率的尺寸效应 谭明晖 杜昊 卢春燕 宫骏 黄荣芳 闻立时 （中国科学院金属研究所沈阳ｌ１００１６） 摘 要 研究了超薄Ｆｅ膜在可 波段皿扎外波段的吸收率随薄膜厚度变化的关系结果表明．金属薄膜吸收率具有尺寸技 应 并具有极大值对比超薄Ｆｅ膜啦收率与其直流电导率的实验结果可知结构特征变化是导致吸收率足寸散应的重要原因 关键词超薄Ｆｅ膜．嘎收率尺寸杖厘 中囝法分类号０４８４ ４ 文献标识码 Ａ 文章编号０４１２—１９６￣（２００１）１０—１０９７—０３ ＳＩＺＥ ＥＦＦＥＣＴ ｏＦ ＴＨＥ ＡＢＳｏＲＰＴＡＮＣＥ ｏＦ ＵＬＴＲＡ—ＴＨＩＮ ＩＲｏＮ ＦＩＬＭＳ ＴＡＮ Ｍｉｎｇｈｕｉ，Ｄ Ｈａｏ．Ｌｕ Ｃｈｕｎｙａｎ ＧＯＮＧ Ｊｕｎ ＨＵＡＮＧ Ｒｏｎｇｆａｎｇ，ＷＥＮ Ｌｉｓｈｉ ［￣ａｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｋ、Ｔｈｅ Ｃｈｌｔｔｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ、Ｓｈｅｎｙａａｇ １Ｉ［Ｎ）１６ Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｔ：ＴＡＮ Ｍｉｎｇｈｕｉ．ｅｎｇｉｎｅｅｒ Ｔｄ （０２￣）２２８４３５３１ ５５７々ｉ．Ｆａｘ．＂ｅ０戡）２ｓ８｛ｓｓｓ６ Ｅ－ｍａｉｌ：ｍｈｔｏｎ＠？ｍｒ ＱＣ．ｅｎ Ｍａｎｕｓｃｒｉｐｔ ｒｅｃｅｉｖｅｄ ２０００－ｌｌ＿加ｉｎ ｒｅｖｉｓｅｄ ｆｏｒｍ ２００１ ０３—０ｇ ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ａｈｓｏｒｐｔａｎｃｅ ａｎｄ Ｅｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｕｌｔｒａ－ｔｈｉｎ ｉｒｏｎ ｆｉｌｍｓ ｉｎ ｖｉｓｉｂｌｅ ａｎｄ ＩＲ ｒｅｇｉｏｎｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｈｓｏｒｐｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔａｌ ｆｉｈｎｓ ｈａｓ ｓｉｚｅ ｅ ｅｃｔ．Ｔｈｅ ｒｅｆｌｅｃｔａａｌｃｅ ａｎｄ ｔｒａａｌｓｎｌｉｔｔａａｌｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｌｍｓ ｋｅｐｔ ｆｉｘｅｄ ｖａｌｕｅｓ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｔｌｆｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｆｉｌｍｓ ｗａｓ ｏｖｅｒ ２０ ｎｍ．Ｉｎ ｖｉｓｉｂｌｅ ｒｅｇｉｏｉｘ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｏｆ ａｈｓｏｒｐｔａｎｃｅ ｏｆ ｕｌｔｒａ ｄｆｉｎ ｌｒｏｎ ｆｉｌｍｓ ａｐｐｅａｒｅｄ ａｔ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ａｂｏｕｔ １８ ｎｍ Ｉｎ．ｎｆＴａｒｅｄ ｒｅｇｉｏｎ．ｔｈｅ ａｂｓｏｒｐｔａｎｃｅ ｒｏｏｆ ｏｆ ｕｌｔｒａ ｔｈｉｎ ｆｉｈｎｓ ａｐｐｅａｒｅｄ ａｔ ｔｈｉｃｋｎｅ￣ｏｆ ａｂｏｕｔ ｌ（卜２０ ｎｌｎ Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｗｉｔｈ ａｈｓｏｒｐｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｆｌｍｓ Ｗｉｔｈ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｅｓ１ ｉｔ ｃａｎｂｅ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔｔｈｅｕｎｉｑＨｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｅａｔｕｒｅ ｏｆｔｈｅｆｉｈｎｓｌｅｄｔｏｔｈｅ ｓｉｚｅ ｅｆｔｅｃｔ ｏｆｔｈｅ ａｂｓｏｒｐｔａｎｔｅ． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ ｕｌｔｒａ—ｔｈｉｎ ｉｒｏｎ ｆｉｌｍ．ａｂｓｏｒｐｔａｎｃｅ ｓｉｚｅ ｅ舶ｃｔ 当电磁波入射到块体金属材料或者厚度比较大的金 属膜表面时，根据ＭＫｘｗｅｌｌ方程 透射波Ｅ（ｚ ｆ）＝ 了超薄 膜在可见光和红外波段反射率、透射率和吸收 率的尺寸效应 Ｅ０ｅ…ｅ ｔ 一 ＿ｌ｛．其中卢为相位常数， ｎ、南衰减常 数当将场量衰减至原来值的ｉ／ｅ时、电磁波所经过的 距离定义为穿透探度６．对于金属．由 电导率口非常 １实验方法 盎工作采用直流磁控溅射方法制备超薄Ｆｅ膜．基片 为聚酯膜【无吸收Ｊ．用丙酮怍清洗剂，经超声清洗后装入 真空室基片不加热，真空室预真空到４×１０－３ Ｐａ后通 入氩气、工作压强为０．４—０ ５ Ｐａ．通过预先测定沉积速 大，舟电常数 《 ／ 为角频率），所以 一ｌ ｎ＝ （２／ ．当波长为１０ ｃｒｎ的时候 Ｃｕ的穿透深度 为０ ６２ ｍ １２１．由此可见，电磁波仅能进入非常有限的 深度，电磁波的大部分能量被金属表面所反射、其透射效 果可忽略不计然而，对于超薄金属薄膜，其特征尺寸小 于穿透深度或与之相当、透射效应及吸收效应变得十分显 著，成为主流效应ｔａｌ 率并设定溅射时间来控制薄膜厚度 在 ｒ见光波段，用ＷＦＺ ９ＯＯ—Ｄ４型紫外／可见分 光光度计并用反射光谱附件测量电磁波的反射率和透射 率６１．陵仪器的可见光波长准确度 士０ ３％．测光准 确度 土０．３％ 在红外波段，用ｗＱＦ ３００型Ｆｏｕｒｉｅｒ 研究超薄金属薄膜对电磁波的反射、吸收及透射作 用，挖掘其潜能、在高教太阳能吸收、电磁辐射、噪音屏 蔽吸收和净化等领域具有十分重要的意义 ．本文研究 变换红外谱仪测量，光路图与紫外可见分光光度计相同． 红外渡数分辨率Ｓ４ ＷＮ在忽略能量损失的前提下， ４＋只＋Ｔ＝Ｉ（＿Ａ为吸收率 凡为反射率、 收到初稿日期：２０００－１１—３Ｏ．收到修改稿 期 ２００１－０３－０９ 作者茼舟：谭明晖、男，１９６５年生．工程师 为透射 率】 、从而通过测量薄膜对可见光及红外波段电磁渡的 透射率及反射率求得超薄 膜对可见光及红外波段电 金属学报 ３７卷 磁波的吸收率测量透射率采用预先ｉ剜量基片的透射率并 ∞ 将其在计算程序中予以扣除的办法测量反射率采用预先 ．∞苎ｍ苗∞ｃ∞ 平缓（图ｌａ）．随着薄膜厚度的增加、超薄 膜的透射 们∞∞仲在薄膜厚度为５—２０Ⅱｍ区间，透射率快速 ０ ∞ ∞ 率逐渐减小测量标准Ａｕ膜的反射率并将其作为基准同实验薄膜的 反射率进行比较的办法 ；使用精度为０ ０２级的ＱＪ ３６型单双臂电桥在真空室内原位测量金属薄膜的方块电 阻，经计算得到直流电导率 ２实验结果和讨论 超薄Ｆｅ膜在波长分别为４３６ ５４６和６５０ ｎｍ的可 见光区的反射率．透射率及吸收率的尺寸效应如图１所 示从图可见，随着薄膜厚度的增加，超薄 膜的反射 率逐渐增加．其中在薄膜厚度为５—２０ ｎｍ区间、反射率 增长速度较快；薄膜厚度超过２０ ｈｉｌｌ之后，反射率趋于 ｍｕｃｍ ０ １０ ２０ ３０ ４０ ５０ ６０ Ｔｈ ｋｎｅｓｓ ｎｍ ０ １０ ２０ ３０ ４０ ５０ ６０ Ｔｈ ｋｌｌ￣ｓ ｎｍ 田ｉ可见光区反射率、透射率、吸收率与Ｆｅ膜厚度的关系 Ｆｉｇ·ｌ Ｒｅｌａｔｉｏｎ￣ｈｉｐｌ ｈ￣ｅｅｎ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ（ａ），ｔｒａｎｓｍ￣ｔａｎｃｅ （ｂ） ａｂａｏｒｐｔａｎｃｅ（ｃ）ａｎｄ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ０ｆ Ｆｅ ｆｉｌｒ￣【ｎ ｖ — ｉｂｌｅ ｒｅｇｉｏ 降低 当薄膜厚度超过２０ ｒｉｍ之后，透射率平缓降低（图 １ｂ）．随着薄膜厚度的变化，薄膜的吸收率亦随之变化， 在薄膜厚度为１０和２０ ｌｌｍ附近吸收率出现拐点，在薄 膜厚度为１０ ｎｍ附近出现吸收峰（图ｌｃ） 波长分别为Ｏ．８，１ ４和２．０，ａｍ的红外波段反射率、 透射率及吸收率的尺寸效应如图２所示．从图可见 随着 薄膜厚度的增加 超薄Ｆｅ膜的反射率逐渐增加．其中． 薄膜厚度在５—２０ ｒｓｍ区间，反射率增长速度较快：薄膜 厚度超过２０ ｎｍ之后，反射率趋于平缓随着薄膜厚度 ８Ｏ ７０ ６０ ５０ ４Ｏ ３０ ２０ Ｏ １Ｏ ２ｏ ３０ ４０ ５０ ６ｏ ７０ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｎｍ ７Ｏ ６０ ５０ ４０ 墨 蓦３。 ２０ １Ｏ Ｏ １Ｏ ２０ ３９ ４０ ５０ ６０ ７０ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｎｍ ６０ ５０ ２ 罟 ｏ § 《３０ ２０ ０ １０ ２０ ３０ ４０ ５０ ６０ ７０ Ｔｈｉｃｋｒ￣ｅｓｓ ｎｍ 围？红补波段反射率、透射率、吸收率与 膜厚度的关系 Ｆｉｇ．？ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ｆａ１、ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ Ｉｂ），ａｈｓｏｒｐｔａ￣ｃｅ（ｃ１ ａｎｄｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆＦｅｆｉｌｍｓ ｍＩＲ ｒｅｇｉｏｎ １０期 谭明晖等：超薄Ｆｅ膜吸收率的尺寸效应 １０９９ 的增加，超薄Ｆｅ膜的透射率逐渐减小在薄膜厚度为５— １５ ｒｉｍ区间，透射率快速降低：而当薄膜厚度超过２０ ｎｍ 之后．透射率平缓降低．随着薄膜厚度的变化 薄膜的吸 收率亦随之变化，在薄膜厚度为５—１０ Ｉ］１１１区间，吸收率 逐渐升高 并在１０ ｎⅢ附近出现吸收峰．随后吸收率Ｆ 降．超过３０ ｎｌｎ后吸收率趋于平缓． 超薄Ｆｅ膜在可见光波段和红外波段吸收率随薄膜厚 度的变化存在明显的尺寸效应超薄 膜的生长属于岛 状模式生长ＩｓＪ，其间经历了岛状膜、网状膜及连续膜３个 阶段＿。ｌ 岛状膜可以看成金属颗粒与空气构成的连续复合 体，薄膜厚度的增加相当于金属颗粒体积分数的增加由 于金属颗粒体积分数的增加使金属颗粒对电磁波的散射 及相关作用增强，因此吸收率逐渐增大：随着金属薄膜厚 度的增加 小岛长大连续形成网状膜网状膜具有最高比 例的表面原子，并且膜面凸凹不平的小岛内部有大量的空 洞 ，电磁波经小岛及空洞发生多次反射和散射，能充分 发挥各种吸收作用，因此吸收率较高并且在某一特征尺 寸出现极大值；形成连续膜后 随着薄膜内的晶粒尺度变 得越来越大［１０￣１１ Ｊ，造成单位体积内晶界的减少导致晶 界对电磁波的散射作用减弱，结果使薄膜对电磁波的吸收 率逐渐降低 对比超薄Ｆｅ膜电导率与薄膜厚度的变化关系，有利 于更好地理解超薄Ｆｅ膜吸收率的尺寸效应．超薄 膜 直流电导率随薄膜厚度的变化如图３所示从囝可见．薄 膜厚度在 ５ ｌｌｍ之间时，薄膜的直流电导率极小，对 Ｅ －口 Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｎｍ 围３直流电导卓与Ｆ 膜厚度变化的戋系 Ｆｉｇ－３ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｄｃ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ（ ｃ）ｏｆ ｆｉｌｍｓ ｏｎ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ 应薄膜生长的岛状膜阶段：薄膜厚度在ｌ０—３０ ｎⅢ之间， 电导率急剧增加，对应薄膜生长的网状膜阶段；薄膜厚度 超过３０ ｎｍ之后．电导率缓慢上升，并趋于定值 这表明 此时已进入薄膜生长的连续膜阶段超薄Ｆｅ膜生长的３ 个具体过程对应解释了超薄 膜吸收率的尺寸效应． ３结论 超薄Ｆｅ膜在呵见光及红外波段的吸收率随着薄膜的 度而变化．具有尺寸效应，并出现吸收峰在红外波段 具有较宽的吸收平台 参考文献 ［１】Ｚｈｅｎｇ Ｊ Ｆｉｅｌｄ ａｎｄ Ｗａｖｅ尉ｅｃｚｒ口ｍ衄ｎｅ±吼Ｓｈａｎｇｈａｉ： Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，１９８４：１９ｌ ｆ年 钧 电醴场与渡 上海：上海交通大学出版社． １９８４： １９１） ２】Ｂｏｒｎ Ｍ，￣，ＶｏｌｆＥ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏ／Ｏｐｔｉｃｓ Ｏｘｆｏｒｄ：Ｐｅｒｇａｍｏｎ ｌ９８ ：６ｌ２ 【３】Ｈｕａｎｇｗ Ｘ Ｃｈｅｎ Ｊ Ｚ Ｍａｏ Ｊ．ＴｕＭ Ｊ ｄＦ￣ｎｃｔＭａｔｅｒ， ｌ９９９；３０：ｌ０５ （黄蜿霞 陈家割，毛健 涂锗旌功能材料，１９９９１ ３０：１０５】 ｜４ Ｈａｎ Ｇ Ｒ ￣＇４＿ａｎｇ Ｊ Ｘ，Ｄｕ Ｐ Ｙ，Ｚｈｅｍｇ ＸＷ，Ｚｈａｏ Ｇ Ｌ Ｍａｌｅｒ Ｓｃｉ １９９９；１７（４）：１ （韩高暮 汪建射．杜王一 张溪文 赵高凌材料科学与工程 １９９９１ ｌ７（４）１） 【５；￣Ａ；ａｎｇ Ｌ Ｈ ＨｕａｎｇＹＴ，ＺｈｅｎｇＨＴ Ｔｈｉｎ Ｆｉｔｒｎ￣Ｔｅｃｈｎｏｔ一 ０螂Ｂｅｉｊｌｎｇ：Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，１９９１：３９ （１ｉ力衡．黄运舔．郑海涛．薄膜技术北京清华大学出版杜． １９９ｌ ３９ 『６ Ｂａｉ Ｘ Ｄ ＰｈＤ Ｔｈｅｓｉｓ，ｌｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｔａｌ Ｐ￣ｅａｒｃｈ，Ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅ￣Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ｝１９９９ （白雪系中国科学院金属研究所博士学位论文 沈阳 １９＠９） 【７］Ｄｕ Ｈ，Ｂａｉ Ｘ Ｄ，Ｘｉａｏ Ｊ Ｑ，Ｓｕｎ Ｃ，Ｈｕａｎｇ Ｒ Ｆ，Ｗｅｎ Ｌ Ｓ Ｃｈ ２ｎ』Ｍａ￣ｅｒ Ｒｅｓ，２００１：１５：２１５ （牡昊白雪东．肖金泉 孙超 黄荣芳．闻立时材料研 究生报 ２００ｌ：１５：２１５） ８ Ｗｅｎ Ｌ ＳＰｈｙｓｉｃｓ Ｂａｓｉｓ ＳｏｌｉｄＭａｅｓｍａ￣Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｒｅ－ ｓｅａｒｃｈ Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｒｅｓｓ，１９９１：２３ 恫立时固体材料界面研究的物理基础北京：科学出版社， １９９ｌ：２３） 【ｇ】Ｘｕｅ Ｚ ＱＩ Ｖ Ｑ Ｄ，Ｌｉ Ｈ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆＴｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｂｅｉｊｉｎｇ： Ｅｌｅｃｔｒｏｎｋ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｐｒ １９９１：２１ （薛增泉 吴全穗．李 浩薄膜物理北京电子工业出版 社 １９９１．２１） 【１０ ｗ Ｌ Ｓ，ＨｕａｎｇＲ Ｆ－Ｇｕｏ Ｌ Ｆ，Ｇｏｎｇ ｄ，ＷｅｉＴＹ，Ｃｈｕａｎｇ Ｙ Ｚ ｄ Ｍａｇｎ Ｍａｇｎ Ｍａｔｅｒ．１９９３；１２６：２００ 【１１】Ｔａｎｇ Ｚ Ｌ，／－ＩｕａｎｇＲ Ｆ．ｗ ｎ Ｌ Ｓ Ｃｈｉｎ ＪＭａｔｅｒＲｅｓ，１９９７； ｌ１ ４３８ Ｉ唐北麟 黄荣芳 闻立时材料研究学报． １９９７￣ｌｌ：４３８１
