Ultratynde sølvfilm og litografisk mønstrede strukturer for at forbedre plasmonisk ydeevne

Plasmoniske enheder - såsom superlinser, hyperlinser og plasmoniske bølgeledere - har spændende potentiale for forskning og kommercielle anvendelser, fordi de tillader optisk litografi, billeddannelse og bølgeledning, der skal udføres ved opløsninger under lysets diffraktionsgrænse. Disse enheder kræver ofte ultratynde metalfilm med lavt tab, som er vanskelige at fremstille ved hjælp af nuværende deponeringsteknikker. Forskere har undersøgt processer såsom aflejring af frølag og termisk glødning for at reducere overfladens ruhed og korngrænsetæthed af disse film. Til dato, imidlertid, disse processer har ikke været den store succes.

Nu, Ee Jin Teo og kolleger ved A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, Singapore, universitetet i Hyogo, Japan, og National University of Singapore har brugt gas cluster ion beam (GCIB) behandling til at glatte ultratynde metalfilm og derved forbedre deres egenskaber. Et GCIB består af tusinder af gasmolekyler, der er svagt bundet af van der Waals kræfter. En sådan stråle er i stand til at udglatte overfladeuregelmæssigheder og reducere filmtykkelsen med nanometerpræcision. Denne behandling forbedrer overfladeplasmonresonans og -formering betydeligt og muliggør fremstilling af ultratynde film med ekstremt lav elektrisk resistivitet og optisk tab.

I modsætning til monomer-ion-stråler, der anvendes i konventionel ion-stråle-fræsning og plasmaætsning, en klynge af nitrogengasmolekyler med en energi på 20 kiloelektron volt, der påvirker en sølvfilm, kan levere en høj energitæthed til et relativt lille volumen:alligevel trænger klyngen ned til en dybde på kun få nanometer. Bjælkens indvirkning på filmen får sølvatomer i overfladetoppe til at spredes sidelæns mod dale, tomrum og korngrænser. Udover at producere en glattere overflade, denne behandling tredobler kornbredden gennem genaflejring af atomer ved korngrænser.

Teamets GCIB-behandling resulterede i op til en firdobling i de elektriske og optiske egenskaber af film med en tykkelse på 12 nanometer. "De unikke egenskaber ved GCIB-bestråling betød, at vi i et enkelt bestrålingstrin kunne reducere spredningstab på grund af overfladeruhed, korngrænser og hulrum, " bemærker Teo.

Forskergruppen brugte også teknikken til at glatte den øverste overflade og sidevægge af litografisk mønstrede sølvstribede bølgeledere, forøgelse af forplantningslængderne af overfladeplasmoner i disse bølgeledere.

"I fremtiden, vi agter at bruge denne teknik til at forbedre farverenheden af ​​plasmoniske farvefiltre eller reflektorer, og også for at øge det mønstrede område af superlens nanolitografi, " siger Teo. "Sådan udvikling vil bringe plasmonisk forskning et skridt tættere på kommercialisering."