張建成臺灣大學:應用力學研究所劉德歡Liu, Te-HuanTe-HuanLiu2010-06-022018-06-292010-06-022018-06-292008U0001-2507200815254100http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/184802本論文以合金材料(Ge2Sb2Te5)的熱相變行為，來探討奈米複合結構之雷射光致記錄點的問題。此複合結構的製作，是在一預刻溝軌之聚碳酸酯基板上，依序濺鍍上介電層，相變化記錄層，以及下介電層，反射層，最後再包夾聚碳酸酯基板薄膜為保護層。 以往處理本問題時，都由分析實驗數據所獲得之記錄點斑跡，而未能探討雷射光致記錄點在生成時期的品質及其影響因素。本論文以相變化層受熱期間之溫度變化，配合其對應之熔化與結晶行為，直接探討最終穩定記錄點之大小，形狀及邊緣平整性，這些特性對於資料讀取時之品質有著莫大的關係。 在熱相變行為之探討上，我們以三維熱擴散方程式做為本問題之統馭方程，並使用"改進式交替方向隱式差分法"，做數值離散式的主要工具；在處理雷射光通過奈米複合結構之問題，本論文以馬克士威方程式為基礎，配合相應之邊界條件，解析結構中之電場、磁場以及能量流率。最後並將光、熱效應耦合，以應用在實際問題。 透過本文的分析，我們可以很精準地計算出控制光碟讀寫時的種種特性因素與參數，譬如：紀錄點的大小、形狀、邊緣平整性以及加熱時溫度與施加雷射功率的調控。一般而言，控制欲寫下記錄點之區域的溫度，必須適當的高於Ge2Sb2Te5材料的熔點之上，且避免將材料處於熔點觸過長的時間，否則邊緣處過多的固液兩相共存態，會影響到記錄點的平整性。此外，在施加超過誘入功率的能量時，雷射光致記錄點的長度將會快速上升，所以必須控制雷射光於適當功率，避免形成之記錄跡過大，過度消耗光儲存之容量。 在與相關之文獻比較後，獲知本論文所計算得之溫度、熱傳速率、相變化材料之相態、記錄點的形成時間，皆與實驗結果相當穩合。可確認此光、熱效應耦合分析是可靠的。 光儲存技術是臺灣很重要的光電產業之一。本論文所發展之模組分析，可提供相關產業在工業上設計上提升光儲存效能之參考，對此我們深具信心。In this thesis, we made use of thermal phase transition of Ge2Sb2Te5 to investigate the problem of laser induced bit marks in nanoscale composite materials. The composite materials was fabricated as follows. On a pre-grooved polycarbonate substrate, sputtered in order are the upper dielectric layer, thermal phase transition layer, lower dielectric ayer, reflection layer and the protection layer. In the past, all the previous studies obtained traces of bit marks by processing data from experiments without being able to characterize bit marks in their formation. In this study, we carried out theoretical/ numerical analysis to obtain the temperature history of the thermal layer, and its melting and crystallizing behaviors during the heating period. The size and edge smoothness of the bit marks can be determined very precisely; these qualities are closely related to the sensitivity to jitters ineading optical disks. For the study of thermal behavior, we used the three-dimensional heat conduction equation. An improved ADI (alternating-direction- implicit) method was developed to discretize the equation. In discussing laser light through the composite materials, we obtained the layer solution for Maxwell''s equations by matching boundary conditions at the layer interfaces. The coupled optical and thermal equations enable as to studyealistic/practical problems. Through the analysis in this thesis, we can very precisely determine the factors and parameters that influence reading and writing optical disks. These include the size, shape, and edge smoothness of bit marks, and the temperature control and determination of the applied laser power during the heating process. For example, the temperature in Ge2Sb2Te5 layer should be higher than the melting point appropriately to avoid maintaining the temperature at the melting point for a long time. Otherwise, the edge of bit marks would have a bad quality in smoothness because of the solid-liquid coexistence zone. In addition, if the applied power of laser exceeds the inducing power, the length of bit marks increases rapidly, and thus the applied power should be controlledppropriately to avoid over-consumption of the storage volume. In comparison with existing experimental data, we found that the simulated results in the temperature, rate of heat conduction, phase state, and formation time of bit marks are in close agreement, which addsonfidence in our simulations. The technology of optical data storage is a very important industry in Taiwan. The module presented in this thesis may provide a useful tool that helps design and analysis to improve the quality/performance ofptical storage.口試委員會審定書灣大學碩博士論文授權書謝 I文摘要 II文摘要 III錄 V目錄 X目錄 XVIII一章 緒論 1-1 前言 1-2 相變化薄膜材料之特性 1 1-2-1 相變化過程 1 1-2-2 潛熱 3 1-2-3 晶態與非晶態 4-3 相變化材料之發展與性質 7 1-3-1 相變化材料的演進 7 1-3-2 鍺銻碲(Ge2Sb2Te5)相變化材料的特性 8-4 鍺銻碲相變化光碟片 11 1-4-1 相變化光碟片的設計 11 1-4-2 寫入策略與抹除 13-5 研究目的 14二章 基本原理 16-1 相變化複合結構的熱傳導行為 16 2-1-1 熱傳導方程式 16 2-1-2 邊界條件與初始條件 19-2 相變化複合結構的光學行為 21 2-2-1 馬克士威方程式與其通解 21 2-2-2 電磁邊界條件 24 2-2-3 波映廷定理(Poynting''s theorem) 27-3 GeSbTe薄膜的相變行為 30 2-3-1 JMAK原理 30 2-3-2 結晶速率與結晶機率 32 2-3-3 固液相變的潛熱 34三章 數值方法 36-1有限差分法 36 3-1-1 簡介 36 3-1-2 交替方向隱式差分法 38 3-1-3 改進式交替方向隱式差分法 40 3-1-4 收斂分析 42-2 光、熱的耦合 44-3 其它數值方法 46 3-3-1 簡介 46 3-3-2 二重積分的布爾法則 46 3-3-3 高斯-李建德公式 50 3-3-4 高斯消去法 51-4 物理現象的模擬 55 3-4-1 潛熱的效應 55 3-4-2 相態轉變 57四章 靜態測試 59-1 數值模擬參數 59 4-1-1 結構與光熱參數 59 4-1-2 結晶與雷射熱源參數 61-2 相變化層之熱傳性質 63 4-2-1 熔點測試 63 4-2-2 加熱與降溫速率 65 4-2-3 臨界溫度 67-3 相態轉變之行為 69 4-3-1 晶態之形成 69 4-3-2 非晶態之形成 70五章 動態測試 71-1 寫入策略 71 5-1-1 脈衝寬度調變法與邊緣跡記錄法 71 5-1-2 記錄點之大小與形成時間 72-2 雷射功率的影響 74 5-2-1 記錄點面積 74 5-2-2 雷射之脈衝寬度 80 5-2-3 GST層的降溫速度 81 5-2-4 記錄點生成時間 83-3 雷射移動速度的影響 84 5-3-1 記錄點之破碎現象 84 5-3-2 數值模擬所導致溫度的雙峰分布 86 5-3-3 雷射移動方向上的熱分布 87-4 雷射半高寬的影響 90 5-4-1 記錄點之型態 90 5-4-2 熔融區域之極限 94-5 與實驗結果之比較 96六章 結論與未來展望 98-1 結論 98-2 未來工作與展望 99錄 A 101錄 B 126錄 C 144考文獻 157application/pdf24341263 bytesapplication/pdfen-US熱傳遞相變化鍺銻碲材料交替方向隱式差分法Heat transferPhase transitionGeSbTeAlternating direction implicitthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/184802/1/ntu-97-R95543063-1.pdf