Forskere besøger optiske konstanter af ultratynde guldfilm

Forskere ved MIPT har udført meget præcise målinger af de optiske konstanter af ultratynde guldfilm med en tykkelse på mellem 20 og 200 milliarder af en meter i den optiske del af det elektromagnetiske spektrum. Tynde guldfilm er nøglekomponenter i moderne mikro- og nanoskala optiske og optoelektroniske enheder. Forskningsresultaterne vil være efterspurgte blandt forskere på området. Avisen blev offentliggjort i tidsskriftet Optik Express .

Metalfilm med en tykkelse på titalls nanometer, eller titals milliarder af en meter, er meget udbredt til fremstilling af kompakte kemiske og biologiske sensorer, fotodetektorer, solceller, og komponenter til optiske computere. Når nanofilm gøres tyndere end 10 nanometer, de bliver ikke bare ledende, men også fleksible og gennemsigtige, som kan være anvendelige i en række forskellige moderne enheder.

Guld, som er meget udbredt i nanoskalaudvikling, har vist sig at være det mest egnede metal til formålet. Sådanne applikationer kræver guld i form af meget tynde film eller nanostrukturer. For at udvikle og optimere enheder, præcise data om egenskaberne af sådanne film er nødvendige. Men de fleste af de data, der bruges af forskere i øjeblikket, er rapporteret i artikler offentliggjort for næsten et halvt århundrede siden. For eksempel, en af ​​de mest citerede artikler om guldets optiske konstanter er "Optiske konstanter af ædelmetalerne" af P.B. Johnson og R.W. Christy, udgivet allerede i 1972. Scopus -citationsdatabasen afslører, at referencekonstanterne for guld fra dette papir er blevet brugt i mindst 10, 000 andre publikationer. For at forstå betydningen af ​​dette arbejde, Det er vigtigt at huske på, at i 70'erne forskning i de optiske egenskaber ved tynde metalfilm krævede en enorm indsats, fordi de udfordrende eksperimenter skulle følges af komplekse beregninger, og computere endnu ikke var udbredt.

Tyndere er bedre

Topmoderne laboratorieudstyr og den næsten ubegrænsede computerkraft, som moderne forskere har til rådighed, muliggør mere detaljerede undersøgelser af tynde metalfilm. Imidlertid, det er kendt, at de optiske egenskaber af sådanne film - og derfor effektiviteten af ​​enheder baseret på dem - afhænger af faktorer som filmtykkelse, aflejringshastighed, og temperaturen på substratet, der anvendes til filmaflejring. Derfor, MIPT -forskerne justerede de indledende betingelser, nemlig aflejringshastigheden og substrattemperaturen for at optimere filmens optiske egenskaber. Efter det, de udførte de nødvendige målinger ved hjælp af spektroskopisk ellipsometri, Røntgendiffraktometri, elektron- og atomkraftmikroskopi. De opnåede data gjorde det muligt for MIPT -teamet at undersøge detaljeret, hvordan egenskaberne af tynde guldfilm er relateret til deres struktur og gennemsnitlige kornstørrelse.

Et materiales struktur påvirker i høj grad dets fysiske egenskaber, fordi det er ved korngrænser, at ledningselektroner spredes, mister energi - måden en bold i en flipperspiller mister sit momentum, når den løber ind i forhindringer. Som det viste sig, både optiske tab og jævnstrømsmotstand øges betydeligt, da tykkelsen af ​​guldfilmen reduceres til under 80 nanometer. Papirets forfattere leverer referencedata om de optiske konstanter af guld for en lang række bølgelængder, fra 300 til 2, 000 nanometer, til film, der er 20 til 200 nanometer tykke. Disse fund vil være til nytte for forskere, der arbejder på forskellige nanofotoniske enheder og metamaterialer.

State-of-the-art teknologi

For at dyrke tynde film, forskerne brugte en teknik kaldet elektronstrålefordampning, som involverer følgende trin ::Et oprenset siliciumsubstrat indføres i et vakuumkammer. Modsat underlaget, en metalprøve placeres. Metallet, i dette tilfælde guld, udsættes derefter for en elektronstråle accelereret af et elektrisk felt. Dette opvarmer hurtigt guldet, hvilket får det til at smelte og til sidst omdanne til damp. De fordampede guldatomer transporteres derefter hen over et område med lavt tryk fra deres kilde og undergår kondens på substratet for at danne den tynde film.

"Forudsat at du opretholder et højt vakuum, opvarm metallet korrekt, og på anden måde følge proceduren, denne teknik giver film med vilkårlig tykkelse, som bestemmes af fordampningstiden. I øvrigt, filmene er næsten helt glatte, har en ruhed på mindre end et nanometer, "siger Valentyn Volkov, professor ved Syddansk Universitet, der også leder Laboratory of Nanooptics and Plasmonics på MIPT. "Sådanne film kan bruges i optik og optoelektronik til at udvikle kompakte biosensorer med høj følsomhed, solceller, bredbånds fotodetektorer, og optoelektroniske computerkomponenter. "

Guldfilm af denne art med en tykkelse på omkring 40 nanometer bruges allerede i biosensordesign.