Kvanteteknik atomisk glatte enkeltkrystallinske sølvfilm

Metalfilm med ultralavt tab med enkeltkrystaller af høj kvalitet er efterspurgt som den perfekte overflade til nanofotonik og kvanteinformationsbehandlingsapplikationer. Sølv er langt det mest foretrukne materiale på grund af lavt tab ved optiske og nær infrarøde (nær-IR) frekvenser. I en nylig undersøgelse offentliggjort på Videnskabelige rapporter , Ilya A. Rodionov og et tværfagligt forskerhold i Tyskland og Rusland rapporterede om en to-trins tilgang til elektronisk strålefordampning af atomisk glatte enkeltkrystallinske metalfilm. De foreslog en metode til at etablere termodynamisk kontrol af filmvækstkinetikken på atomniveau for at deponere state-of-the-art metalfilm.

Forskerne aflejrede 35 til 100 nm tykke, enkeltkrystallinske sølvfilm med overfladeruhed under 100 picometer (pm) med teoretisk begrænsede optiske tab til dannelse af ultrahøj-Q nanofotoniske enheder. De estimerede eksperimentelt bidraget fra materialets renhed, materielle korngrænser, overfladeruhed og krystallinitet til de optiske egenskaber af metalfilm. Teamet demonstrerede en grundlæggende totrinsmetode til enkeltkrystallinsk vækst af sølv, guld- og aluminiumsfilm for at åbne nye muligheder inden for nanofotonik, bioteknologi og superledende kvanteteknologier. Forskerholdet har til hensigt at anvende metoden til at syntetisere andre enkeltkrystallinske metalfilm med ekstremt lavt tab.

Optoelektroniske enheder med plasmoniske effekter til nærfeltsmanipulation, forstærkning og sub-bølgelængde integration kan åbne nye grænser inden for nanofotonik, kvanteoptik og i kvanteinformation. Endnu, de ohmske tab forbundet i metaller er en betydelig udfordring for at udvikle en række nyttige plasmoniske enheder. Materialeforskere har viet forskningsindsats for at klarlægge indflydelsen af ​​metalfilmegenskaber for at udvikle højtydende materialeplatforme. Enkeltkrystallinske platforme og strukturelle ændringer i nanoskala kan forhindre dette problem ved at eliminere materiale-inducerede spredningstab. Mens sølv er et af de bedst kendte plasmoniske metaller ved optiske og nær-IR-frekvenser, metallet kan være udfordrende for vækst af enkeltkrystallinsk film.

Tidligere rapporter om enkeltkrystallinske sølvfilmvækstmetoder var baseret på molekylær stråleepitaksi (MBE) eller fysisk dampaflejring (PVD) med atomisk glathed og væsentligt lavere optiske tab. I nærværende undersøgelse, Rodionov et al. brugt en to-trins PVD-vækstmetode, der tidligere er udviklet af det samme forskerhold, for at opnå atomisk glatte enkeltkrystallinske metalfilm ved hjælp af en højvakuum-elektronstrålefordamper. Metoden muliggjorde høj krystallinitet og renhed over en atomisk glat overflade med unikke optiske egenskaber og termodynamisk stabilitet. Processen er fleksibel, billig og hurtig med en høj aflejringshastighed i forhold til MBE -teknikken. Holdet kan replikere metoden med en række forskellige metaller, herunder sølv, guld og aluminium - meget brugt i kvanteoptik og kvanteinformation.

Under to-trins deponeringsprocessen til materialeudvikling, Rodionov et al. først voksede en frøkrystal indeholdende spændte todimensionelle sølvøer (atomare træk) med atomisk flade topoverflader (AFT 2-D øer) på et substrat ved 350 grader C. Ifølge den elektroniske vækstmodel, sølvøer er en elektrongas begrænset til en 2-D kvantebrønd (energibarrierer, der begrænser en elektron). Derefter, forskerne afkølede substratet til 25 grader C i samme vakuumcyklus for at forhindre en affugtningseffekt. De fordampede sølvet på AFT 2-D frøet for at danne en kontinuerlig enkeltkrystalfilm til færdiggørelse. Efterfølgende udglødede de sølvfilmen ved højere temperaturer (320-480 grader C), hvilket forbedrede den krystallinske struktur og overfladeruhed af den resulterende film. Forskerne kaldte deres deponeringsproces SCULL - for "enkeltkrystallinsk kontinuerlig ultraglat lav-tab lavpris" - tyndfilmsproduktion.

Forskerteamet udviklede materialer ved hjælp af SCULL og sammenlignede resultaterne for seks repræsentative film, som omfattede tre SCULL enkeltkrystallinske film af varierende tykkelse (35 nm, 70 nm og 100 nm) og tre 100 nm tykke polykrystallinske film. Forskerne brugte høj opløsning vidvinkel røntgendiffraktion (XRD) til at se den høje kvalitet af film med minimale niveauer af defekter. Brug derefter højopløsningstransmissionselektronmikroskopi (HRTEM), forskerholdet demonstrerede sølvfilmens enkeltkrystallinske natur. De brugte elektron backscatter diffraktion (EBSD) til at analysere domænestrukturer og ekstrahere den gennemsnitlige kornstørrelse af de enkeltkrystallinske og polykrystallinske film.

Rodionov et al. karakteriseret de optiske egenskaber og overfladetopografi af de enkeltkrystallinske film ved hjælp af atomkraftmikroskopi. De demonstrerede derefter i vid udstrækning materialets renhed og overfladeruhed for at indikere en meget renere sølvfilm i undersøgelsen. SCULL-sølvfilmene, der blev introduceret i arbejdet, vil have potentielle anvendelser inden for det udviklende område inden for kvanteplasmonik og atomisk glatte enkeltkrystallinske film, der kræver lav optisk absorption og høj ledningsevne. Rodionov et al. observerede en teoretisk forudsagt overflade plasmon polariton udbredelse længde for sølv og enestående ydeevne af eksperimentelle plasmoniske enheder med SCULL sølv film.

På denne måde, Ilya A. Rodionov og kolleger udviklede en to-trins tilgang til elektronisk strålefordampning for at danne kontinuerlig atomisk glat, enkeltkrystallinske metalfilm over et bredere tykkelsesområde fra 35-100 nm. Forskerne forestiller sig, at deres foreslåede SCULL-proces vil blive brugt til at deponere en række atomisk glatte enkeltkrystallinske tynde film ved hjælp af en let, top-down fabrikationsenhed i fremtiden. De unikke fysiske og optiske egenskaber af de resulterende SCULL-film kan åbne nye muligheder inden for forskellige teknologiområder.

© 2019 Science X Network