Onderzoekers van het MIPT hebben zeer nauwkeurige metingen uitgevoerd van de optische constanten van ultradunne goudfilms met diktes variërend van 20 tot 200 miljardsten van een meter in het optische deel van het elektromagnetische spectrum. Dunne goudfilms zijn belangrijke componenten van moderne optische en opto-elektronische apparaten op micro- en nanoschaal. De onderzoeksresultaten zullen in trek zijn bij onderzoekers in het veld. Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Optica Express .

Metaalfilms met een dikte van tientallen nanometers, of tientallen miljardsten van een meter, worden veel gebruikt om compacte chemische en biologische sensoren te produceren, fotodetectoren, zonnepanelen, en componenten voor optische computers. Wanneer nanofilms dunner worden gemaakt dan 10 nanometer, ze worden niet alleen geleidend, maar ook flexibel en transparant, die van toepassing kunnen zijn op een verscheidenheid aan moderne apparaten.

Goud, die veel wordt gebruikt bij de ontwikkeling van apparaten op nanoschaal, is hiervoor het meest geschikte metaal gebleken. Voor dergelijke toepassingen is goud nodig in de vorm van zeer dunne films of nanostructuren. Om apparaten te ontwikkelen en te optimaliseren, nauwkeurige gegevens over de eigenschappen van dergelijke films zijn noodzakelijk. Maar de meeste gegevens die momenteel door onderzoekers worden gebruikt, worden gerapporteerd in artikelen die bijna een halve eeuw geleden zijn gepubliceerd. Bijvoorbeeld, een van de meest geciteerde artikelen over de optische constanten van goud is "Optische constanten van de edele metalen" door P.B. Johnson en RW Christy, al in 1972 gepubliceerd. De Scopus-citatiedatabase onthult dat de referentieconstanten voor goud uit dit artikel zijn gebruikt in ten minste 10, 000 andere publicaties. Om de betekenis van dit werk te waarderen, het is belangrijk om in gedachten te houden dat in de jaren 70, onderzoek naar de optische eigenschappen van dunne metaalfilms vergde een enorme inspanning, omdat de uitdagende experimenten moesten worden gevolgd door complexe berekeningen en computers nog niet wijdverbreid waren.

Dunner is beter

State-of-the-art laboratoriumapparatuur en de bijna onbeperkte rekenkracht waarover moderne onderzoekers beschikken, maken meer gedetailleerde studies van dunne metaalfilms mogelijk. Echter, het is bekend dat de optische eigenschappen van dergelijke films - en dus de efficiëntie van apparaten die erop zijn gebaseerd - afhankelijk zijn van factoren zoals filmdikte, afzettingssnelheid, en de temperatuur van het substraat dat wordt gebruikt voor filmafzetting. Overeenkomstig, de MIPT-onderzoekers pasten de beginvoorwaarden aan, namelijk de depositiesnelheid en de substraattemperatuur, om de optische eigenschappen van de film te optimaliseren. Daarna, ze voerden de nodige metingen uit door middel van spectroscopische ellipsometrie, Röntgendiffractometrie, elektronen- en atoomkrachtmicroscopie. Met de verkregen gegevens kon het MIPT-team in detail bestuderen hoe de eigenschappen van dunne goudfilms verband houden met hun structuur en gemiddelde korrelgrootte.

De structuur van een materiaal beïnvloedt in grote mate de fysieke eigenschappen ervan, omdat het bij korrelgrenzen is dat geleidingselektronen worden verstrooid, energie verliezen - zoals een bal in een flipperkast zijn momentum verliest als hij tegen obstakels aanloopt. Zoals later bleek, zowel optische verliezen als gelijkstroomweerstand worden aanzienlijk verhoogd, omdat de dikte van de goudfilm wordt teruggebracht tot minder dan 80 nanometer. De auteurs van het artikel bieden referentiegegevens over de optische constanten van goud voor een breed scala aan golflengten, van 300 tot 2, 000 nanometer, voor films van 20 tot 200 nanometer dik. Deze bevindingen zullen nuttig zijn voor onderzoekers die werken aan verschillende nanofotonische apparaten en metamaterialen.

State-of-the-art technologie

Om dunne films te laten groeien, de onderzoekers gebruikten een techniek genaamd elektronenstraalverdamping, die de volgende stappen omvat::Een gezuiverd siliciumsubstraat wordt in een vacuümkamer gebracht. Tegenover de ondergrond, een metalen monster wordt geplaatst. Het metaal, in dit geval goud, wordt vervolgens onderworpen aan een elektronenbundel die wordt versneld door een elektrisch veld. Hierdoor warmt het goud snel op, waardoor het smelt en uiteindelijk in damp verandert. De verdampte goudatomen worden vervolgens vanuit hun bron over een gebied met lage druk getransporteerd en ondergaan condensatie op het substraat om de dunne film te vormen.

"Als je een hoog vacuüm aanhoudt, verwarm het metaal op de juiste manier, en anders de procedure volgen, deze techniek levert films van willekeurige dikte, die wordt bepaald door de verdampingstijd. Bovendien, de films zijn bijna perfect glad, met een ruwheid van minder dan een nanometer, " zegt Valentin Volkov, hoogleraar Universiteit van Zuid-Denemarken, die ook aan het hoofd staat van het Laboratorium voor Nanooptica en Plasmonics bij MIPT. "Dergelijke films kunnen worden gebruikt in optica en opto-elektronica om zeer gevoelige compacte biosensoren te ontwikkelen, zonnepanelen, breedband fotodetectoren, en opto-elektronische computercomponenten."

Dergelijke goudfilms met een dikte van ongeveer 40 nanometer worden al gebruikt bij het ontwerpen van biosensoren.