目錄 摘要...............................................................Ⅰ 英文摘要...........................................................Ⅱ 目錄...............................................................Ⅲ 圖目錄.............................................................Ⅵ 1. 緒論以及理論基礎............................................. 1 1.1 光碟的介紹............................................... 1 1.2 相變型光碟的介紹......................................... 2 1.2.1 相變型光碟結構.................................... 2 1.2.2 相變型光碟讀寫原理................................ 6 1.2.3 相變型光碟與相變材料的歷史研究.................... 8 1.3 近場光碟(Near-field optical disk )的介紹.................. 9 1.3.1 近場光碟的結構以及類型...........................10 1.3.2 近場光碟與表面電漿子的理論分析...................13 1.4 近場光碟熱模擬的研究介紹.................................16 1.5 研究方向.................................................20 文獻參考.....................................................22 2. 熱傳導的數值計算方法.........................................27 2.1 熱傳導方程式.............................................28 2.2 數值方法.................................................28 2.2.1 有限元素法.......................................29 2.2.2 有限差分法.......................................30 2.2.3 一維熱傳導方程式.................................30 2.2.4 差分方程式.......................................31 2.3 二維熱傳導方程式與差分方程式.............................32 IV 2.3.1 二維熱傳導方程式.................................................................32 2.3.2 二維熱傳導差分方程式.............................33 2.3.3 穩定性條件.......................................33 2.4 二維平板熱傳導模擬.......................................34 2.4.1 邊界條件.........................................34 2.4.2 熱傳導方程式與模擬結果...........................35 2.4.3 誤差分析.........................................36 2.5 穩定性與收斂性...........................................38 2.5.1 收斂與穩定的定義.................................38 2.5.2 熱傳導數值計算穩定條件...........................38 文獻參考.................................................41 3. 光碟片的熱傳導與分析.........................................42 3.1 光碟的基本結構...........................................43 3.2 多層膜的光學特性.........................................44 3.3 熱作用的分析.............................................46 3.3.1 光碟的結構與光學常數.............................46 3.3.2 圓柱座標熱傳導方程式與差分方程式.................50 3.3.3 模擬結果與比較...................................53 3.4 收斂條件與分析...........................................59 3.5 討論.....................................................61 文獻參考.....................................................62 4. 相變材料光碟片的熱傳導與分析.................................63 4.1 相變型光碟的結構.........................................63 4.2 相變型光碟的工作原理.....................................65 4.3 相變材料結核成長的理論與分析.............................66 4.3.1 結晶模型.........................................66 V 4.3.2 機率曲線與材料參數.........................................68 4.3.3 討論.............................................70 4.4 相變型光碟片相變化過程的模擬與分析.......................70 4.4.1 模擬流程圖與分析.................................71 4.4.2 模擬寫入與擦拭結果與分析.........................75 4.4.2.1 相變化光碟片寫入記錄點的模擬與分析...........77 4.4.2.2 相變化光碟擦拭記錄點的模擬與分析.............81 4.5 討論.....................................................85 文獻參考.....................................................86 5. 近場光碟的熱效應................................................88 5.1 光作用分析...............................................89 5.2 高斯光束入射多層膜結構之分析.............................91 5.2.1 平面波入射多層膜結構.............................91 5.2.2 高斯光束入射多層膜結構...........................95 5.3 光與熱交互作用之理論分析.................................98 5.4 近場光碟片光熱效應的模擬結果與分析......................105 5.5 討論....................................................116 文獻參考....................................................117 6. 結論..........................................................118 VI 圖目錄 圖1.1 在Kenichi Nishiuchi[4]等人論文中的相變型光碟片的基本結構,記錄層 材料為GeSbTe。....................................................................................................3 圖1.2 T. Ohta[5]等人論文中,相變型光碟的橫截面示意圖,(a)傳統結構;(b)快 速冷卻結構。......................................................4 圖1.3 T. Ohta[5]等人論文中傳統結構(a),與快速冷卻系統(b),溫度隨時間的 變化圖, 由圖可知道快速冷卻結構的最高溫要比傳統結構較 低。..............................................................5 圖1.4 相變化層寫入、讀取、擦拭時其微結構變化示意圖，其雷射光功率:寫入 >擦拭>讀取。.....................................................7 圖1.5 相變材料晶態與非晶態間可逆轉換的示意圖，(a)晶態結構原子排列整 齊，而(b)非晶態原子雜亂排列。晶態反射率比非晶態大。.................7 圖1.6 富永淳二(J. Tominaga)博士，在1998 年所發表的銻薄膜結構的超解析 近場光碟片各膜層示意圖。.........................................11 圖1.7 氧化銀結構之超解析近場光碟片橫截面多層膜示意圖。.............11 圖1.8 氧化鉑結構之超解析近場光碟片橫截面多層膜示意圖。.............13 圖1.9 介電質與金屬相連接，z>0 為介電質，z<0 為金屬，ε1 與ε2 分別為介 電質與金屬的介電係數。...........................................14 圖1.10 Y.–C. Her 等人在發表的論文中[32]以2 2 ZnS SiO / AgO / ZnS SiO x − − 結 構下在不同的溫度下反射率的變化。.................................17 圖1.11 Y.–C. Her 等人在發表的論文中[32] 2 2 ZnS SiO / AgO / ZnS SiO x − − 結構 在不同的讀取功率下,所得到的CNR 值。..............................18 圖1.12 Q. Liu 等也在發表的論文中[33]在不同溫度,所得到光的穿透率強度變 化。.............................................................19 圖1.13 L. P. Shi 等人在發表的論文[35]中,(a)多了一層熱保護層的超解析近 VII 場光碟以及(b)一般的超解析近場光碟。............................................................19 圖2.1 有限差分法空間格子點的分佈與計算。...........................32 圖2.2 二維平板結構示意圖以及其邊界條件。...........................35 圖2.3 二維平板空間溫度分佈圖。.....................................36 圖2.4 斜率誤差圖, 2 χ 與格點大小的log-log 圖。.......................38 圖 3.1 圓柱座標系統(r,θ,z)的多層膜結構，N表示薄膜的層數，多層膜的表面 為z=0的平面。一個圓柱對稱的高斯光束朝著z方向行進並且照射到薄膜的表 面。在r=0的地方為此光束的對稱軸。..................................43 圖3.2 Masud Mansuripur[1]等人論文中數值方法計算光碟片溫度分佈所採用的 雷射光脈衝圖型：(a)60-nsec雷射脈衝，最大能量為2mw，總能量為96pJ； (b)40-nsec雷射脈衝，最大能量為8/3mw，總能量為64pJ。..............46 圖3.3 Masud Mansuripur等人論文[1]中所採用磁光碟片的結構圖型，總共分為 五層，分別顯示每一層的厚度以及材料的名稱與其光學常數。.............47 圖3.4 Masud Mansuripur[1]論文中各膜層的數值參數,有厚度、折射率、比熱以 及熱傳導係數。....................................................48 圖3.5 Masud Mansuripur[1]論文中單位強度平面波隨著位置流過光碟的平均能 量。..............................................................49 圖3.6 利用(3.7)式所計算出的波印亭向量(Poynting vector) 。...........49 圖3.7 雷射光照射到結構的中心，中心點為r=0與z=0的 地方，因為圓柱對稱， 所以在計算上只需要計算r>0與z>0的空間。............................53 圖3.8 Masud Mansuripur[1]論文中功率隨時間的變化圖,(a)脈衝時間為60nsec, 最大功率為2mw,總能量為96pJ,(b) 脈衝時間為40nsec,最大功率為8/3mw, 總 能量為64pJ。......................................................54 圖3.9 r=0,溫度-z的變化圖,(a)為Masud Mansuripur[1]論文中的結果,(b)為程 式模擬的結果,比較分別在三個固定時間上隨著z改變的溫度分佈,在此我們忽 略熱從表面散失的情況(γ=0)。......................................55 VIII 圖3.10 在磁光層上溫度-r的變化圖,(a)為Masud Mansuripur[1]論文中的結 果,(b)為程式模擬的結果,比較分別在三個固定時間上隨著r改變的溫度分佈, 在此我們忽略熱從表面散失的情況(γ=0)。...........................56 圖3.11 在磁光層上,在不同徑向的位置上,溫度-時間的變化圖,(a)為Masud Mansuripur[1]論文中的結果,(b)為程式模擬的結果,在此我們忽略熱從表面 散失的情況(γ=0)。................................................57 圖3.12 r=0,溫度-z的變化圖,(a)為Masud Mansuripur[1]論文中的結果,(b)為程 式模擬的結果,比較分別在三個固定時間上隨著z改變的溫度分佈,在此我們考 慮熱從表面散失的情況(γ=105cm-1) 。................................58 圖3.13 在磁光層上溫度-r的變化圖,(a)為Masud Mansuripur[1]論文中的結 果,(b)為程式模擬的結果,比較分別在三個固定時間上隨著r改變的溫度分佈, 在此我們考慮熱從表面散失的情況(γ=105cm-1)。.......................58 圖3.14 在磁光層上,在不同徑向的位置上,溫度-時間的變化圖,(a)為Masud Mansuripur[1]論文中的結果,(b)為程式模擬的結果,在此我們考慮熱從表面 散失的情況(γ=105cm-1)。...........................................59 圖 3.15 誤差收歛表,絕對誤差(Absolute error),以r=5000nm為精準值，t=48ns 時,在雷射光中心(r=0),z=104nm的位置,固定z方向的範圍,隨著徑向方向r的 改變。...........................................................60 圖4.1 相變材料光碟結構示意圖，從最上層分別為基板、介電層、紀錄層、介電 層、金屬層。......................................................64 圖4.2 在Chubing Peng[1]等人的論文中，在模擬過程中所需要的紀錄層材料的 一些數值參數。...................................................69 圖4.3 (a) Chubing Peng[1]等人論文中的成核成長機率隨溫度變化分佈圖:(a) 成核曲線,(b)成長曲線。...........................................69 圖4.4 熱傳導流程圖。................................................71 圖4.5 此為紀錄層的示意圖,圖中實線所圍起來的區域為模擬中被切割的材料所 IX 佔的區域,在每個被分割的區域中都有四個同樣被分割的區域,以虛線表示之, △為被切割材料的長與寬。..........................................74 圖4.6 Chubing Peng[1]等人論文中的材料參數 ,分別為比熱、熱傳導係數以及 折射率。..........................................................75 圖4.7 Chubing Peng[1]等人論文中不同情況下各薄膜的厚度。..............76 圖4.8 在光碟進行寫入的過程中所使用的雷射光功率與脈衝時間。..........77 圖4.9 數值模擬的結果,在紀錄層寫入的情況下,時間為50ns時,(a)紀錄層空間 溫度的分佈,(b)記錄層空間材料的分佈,此時空間為晶態情況。...........78 圖4.10 數值模擬的結果,在記錄層寫入的情況下,時間為75ns時,(a)紀錄層空間 溫度的分佈,(b)記錄層空間材料的分佈,此時空間為晶態與熔融態的情 況。..............................................................79 圖4.11 數值模擬的結果,在紀錄層寫入的情況下,時間為150ns時,(a)紀錄層空 間溫度的分佈,(b)記錄層空間材料的分佈,此時空間為晶態、非晶態與熔融態 的情況。..........................................................79 圖4.12 數值模擬的結果,在紀錄層寫入的情況下,時間為160ns時,(a)紀錄層空 間溫度的分佈,(b)記錄層空間材料的分佈,此時空間為晶態、非晶態與熔融態 的情況。..........................................................80 圖4.13 數值模擬的結果,在紀錄層寫入的情況下,時間為160ns時,(a)紀錄層空 間溫度的分佈,(b)記錄層空間材料的分佈,此時空間為晶態與非晶態的情 況。..............................................................80 圖4.14 在光碟進行擦拭的過程中所使用的雷射光功率與脈衝時間。.........82 圖4.15 數值模擬的結果,在記錄層擦拭的情況下,時間為100ns時,(a)紀錄層空 間溫度的分佈,(b)紀錄層空間材料的分佈,此時空間為晶態、非晶態與成核的 情況。............................................................82 圖4.16 數值模擬的結果,在記錄層擦拭的情況下,時間為180ns時,(a)記錄層空 間溫度的分佈,(b)記錄層空間材料的分佈,此時空間為晶態、非晶態與成核的 X 情況。............................................................83 圖4.17 數值模擬的結果,在記錄層擦拭的情況下,時間為180ns時,(a) 記錄層空 間溫度的分佈,(b)記錄層空間材料的分佈,此時空間為晶態、非晶態與成核的 情況。............................................................84 圖4.18 數值模擬的結果,在記錄層擦拭的情況下,時間為180ns時,(a) 記錄層空 間溫度的分佈,(b)記錄層空間材料的分佈,此時空間為晶態、非晶態與成核的 情況。............................................................85 圖4.19 相變型光碟寫入、擦拭與讀取所使用的雷射光功率以及脈衝時間。...86 圖5.1 利用傅利葉分析以及平面波疊加方式所求得疊加後的高斯分佈與式(5.1) 式高斯分佈的比較。................................................90 圖5.2 利用傅立葉分析以及平面波疊加方式所求得疊加後的高斯分佈與式(5.1) 式高斯分佈結果的絕對誤差分析。......................................90 圖5.3 平面波垂直入射於多層膜結構示意圖。...........................92 圖5.4 (a)平面波斜向入射(θ=30°)多層膜結構的電場分佈圖，(b)利用矩陣法 以及IMD 測試軟體在膜層中某個位置上的電場強度絕對誤差比較。........94 圖5.5 比較矩陣法與IMD 測試軟體，平面波分別以不同角度入射時的反射率絕 對誤差比較。......................................................94 圖5.6 高斯光束在多層膜裡的電場分佈情形。...........................95 圖5.7 高斯光束在多層膜裡電場的橫截面圖，(a)電場實部項，(b)電場虛部項。 ................................................................96 圖5.8 隨著位置而改變，穿透金屬鋁層的電場強度對數(log)圖。..........97 圖5.9 雷射光穿透出薄膜後在不同位置上每個高斯光束橫截面電場強度衰減為 exp(-2)倍時的位置分佈圖。.......................................98 圖5.10 模擬近場光碟片光熱交互作用的流程圖。........................99 圖5.11 隨著不同的光熱交換時間間隔以及記錄時間， 在記錄層座標為 (1200nm,20nm)位置上的溫度值。....................................100 XI 圖5.12 隨著光熱交換時間間隔的改變，在不同記錄時間上的誤差收斂曲線圖。 每條曲線分別代表著不同時刻溫度的絕對誤差值。.....................101 圖5.13 隨著記錄時間的改變，比較光熱交換時間間隔為2ns 與1ns 時，在數值 孔鏡(0.6)所能接收到的範圍內，傅立葉分量的平均差值以及最大差值。...102 圖5.14 數值模擬的結果,時間為96ns時,(a)記錄層空間溫度的分佈,(b)記錄層 空間材料的分佈,此時空間為融熔態、晶態、非晶態的情況。。............102 圖5.15 數值模擬的結果,時間為98ns時,(a)記錄層空間溫度的分佈,(b)記錄層 空間材料的分佈,此時空間為融熔態、晶態、非晶態的情況。............103 圖5.16 數值模擬的結果,時間為100ns時,(a)記錄層空間溫度的分佈,(b)記錄層 空間材料的分佈,此時空間為融熔態、晶態、非晶態的情況。..............103 圖5.17 數值模擬的結果,時間為102ns時,(a)記錄層空間溫度的分佈,(b)記錄層 空間材料的分佈,此時空間為晶態、非晶態的情況。.....................104 圖5.18 J. Tominaga等人在1999年所發表的論文中[6]提出以氧化銀材料為光學 非線性控制層的超解析近場光碟結構橫截面圖。.......................105 圖5.19 隨著雷射光脈衝時間的改變所得到的記錄點尺寸。................107 圖5.20 隨著雷射光脈衝時間的改變,觀察雷射光入射記錄層邊界所得到的記錄 點尺寸。.........................................................107 圖5.21 在不同記錄點大小寫入過程中，隨著時間的改變所得到在數值孔徑範圍 內所得到的遠場訊號強度。.........................................108 圖5.22 加入了隨機分佈奈米結構層的近場光碟，其奈米粒子分佈密度較高的情 況，奈米粒子的寬度為0.2λ，在不同記錄點大小寫入過程中，隨著時間的改 變在數值孔徑範圍內所得到的遠場訊號強度。.........................109 圖5.23 加入了隨機分佈奈米結構層的近場光碟，其奈米粒子分佈密度較少的情 況，奈米粒子的寬度為0.02λ，在不同記錄點大小寫入過程中，隨著時間的改 變在數值孔徑收光範圍內所得到的遠場訊號強度。.....................110 圖5.24 近場光碟光熱效應數值模擬的結果，(a)在時間為96ns 時記錄層上的溫 XII 度分佈，(b)記錄層上空間材料的分佈，藍色代表融熔態，紅色代表非晶態， 綠色代表晶態，(c)在數值孔徑收光範圍內所接收到遠場訊號強度。.......111 圖5.25 近場光碟光熱效應數值模擬的結果，(a)在時間為104ns 時記錄層上的 溫度分佈，(b)記錄層上空間材料的分佈，藍色代表融熔態，紅色代表非晶態， 綠色代表晶態，(c)在數值孔徑收光範圍內所接收到遠場訊號強度。.......111 圖5.26 近場光碟光熱效應數值模擬的結果，(a)在時間為108ns 時記錄層上的 溫度分佈，(b)記錄層上空間材料的分佈，藍色代表融熔態，紅色代表非晶態， 綠色代表晶態，(c)在數值孔徑收光範圍內所接收到遠場訊號強度。.......112 圖5.27 近場光碟光熱效應數值模擬的結果，(a)在時間為112ns 時記錄層上的 溫度分佈，(b)記錄層上空間材料的分佈，藍色代表融熔態，紅色代表非晶態， 綠色代表晶態，(c)在數值孔徑收光範圍內所接收到遠場訊號強度。......112 圖5.28 近場光碟光熱效應數值模擬的結果，(a)在時間為112ns 時記錄層上的 溫度分佈，(b)記錄層上空間材料的分佈，藍色代表融熔態，紅色代表非晶態， 綠色代表晶態，(c)在數值孔徑收光範圍內所接收到遠場訊號強度。......113 圖5.29 隨著寫入完記錄點大小的改變, 在遠場所接收到的遠場訊號強 度,reference 為沒加入隨機奈米結構的情況,以及奈米孔徑為0.2 倍與0.02 倍波長的情況。...................................................114 圖 5.30 加入了隨機分佈奈米結構層的近場光碟，其奈米粒子分佈密度較密的情 況，奈米粒子的寬度分別為0.5λ、0.3λ、0.1λ、0.05λ，隨著不同記錄點 大小的改變，在讀取過程中在遠場所得到的讀出對比訊號(readout contrast signal)。........................................................115 圖5.31 加入了隨機分佈奈米結構層的近場光碟，其奈米粒子分佈密度較稀少的 情況，奈米粒子的寬度分別為0.5λ、0.3λ、0.1λ、0.05λ，隨著不同記錄 點大小的改變， 在讀取過程中在遠場所得到的讀出訊號對比(readout contrast signal)。...............................................116