Er is veel vraag naar metaalfilms met ultralaag verlies en hoogwaardige eenkristallen als het perfecte oppervlak voor nanofotonica en kwantuminformatieverwerkingstoepassingen. Zilver is verreweg het meest geprefereerde materiaal vanwege het lage verlies bij optische en nabij-infrarood (bijna-IR) frequenties. In een recente studie die nu is gepubliceerd op Wetenschappelijke rapporten , Ilya A. Rodionov en een interdisciplinair onderzoeksteam in Duitsland en Rusland rapporteerden een tweestapsbenadering voor elektronische bundelverdamping van atomair gladde enkelkristallijne metaalfilms. Ze stelden een methode voor om thermodynamische controle van de filmgroeikinetiek op atomair niveau tot stand te brengen om state-of-the-art metaalfilms af te zetten.

De onderzoekers deponeerden 35 tot 100 nm dik, monokristallijne zilverfilms met een oppervlakteruwheid van minder dan 100 picometer (pm) met theoretisch beperkte optische verliezen om ultrahoge Q nanofotonische apparaten te vormen. Ze schatten experimenteel de bijdrage van materiële zuiverheid, materiële korrelgrenzen, oppervlakteruwheid en kristalliniteit aan de optische eigenschappen van metaalfilms. Het team demonstreerde een fundamentele benadering in twee stappen voor eenkristallijne groei van zilver, goud- en aluminiumfilms om nieuwe mogelijkheden in nanofotonica te openen, biotechnologie en supergeleidende kwantumtechnologieën. Het onderzoeksteam is van plan de methode toe te passen om andere eenkristallijne metaalfilms met extreem weinig verlies te synthetiseren.

Opto-elektronische apparaten met plasmonische effecten voor manipulatie in het nabije veld, versterking en subgolflengte-integratie kunnen nieuwe grenzen openen in nanofotonica, kwantumoptica en in kwantuminformatie. Nog, de ohmse verliezen in metalen zijn een grote uitdaging om een ​​verscheidenheid aan bruikbare plasmonische apparaten te ontwikkelen. Materiaalwetenschappers hebben onderzoeksinspanningen gewijd aan het verduidelijken van de invloed van metaalfilmeigenschappen om hoogwaardige materiaalplatforms te ontwikkelen. Monokristallijne platforms en structurele veranderingen op nanoschaal kunnen dit probleem voorkomen door materiaalgeïnduceerde verstrooiingsverliezen te elimineren. Hoewel zilver een van de bekendste plasmonische metalen is bij optische en bijna-IR-frequenties, het metaal kan een uitdaging zijn voor de groei van eenkristallijne film.

Eerdere rapporten over groeimethoden met één kristallijne zilverfilm waren gebaseerd op moleculaire bundelepitaxie (MBE) of fysieke dampafzetting (PVD) met atomaire gladheid en aanzienlijk lagere optische verliezen. In de huidige studie, Rodionov et al. gebruikte een tweestaps PVD-groeibenadering die eerder door hetzelfde onderzoeksteam was ontwikkeld om atomair gladde monokristallijne metaalfilms te verkrijgen met behulp van een hoogvacuüm elektronenstraalverdamper. De methode maakte een hoge kristalliniteit en zuiverheid mogelijk over een atomair glad oppervlak met unieke optische eigenschappen en thermodynamische stabiliteit. Het proces is flexibel, goedkoop en snel met een hoge depositiesnelheid in vergelijking met de MBE-techniek. Het team kan de methode repliceren met een verscheidenheid aan metalen, waaronder zilver, goud en aluminium - veel gebruikt in kwantumoptica en kwantuminformatie.

Tijdens het depositieproces in twee stappen voor materiaalontwikkeling, Rodionov et al. groeide eerst een zaadkristal met gespannen tweedimensionale zilveren eilanden (atomaire kenmerken) met atomair vlakke bovenoppervlakken (AFT 2-D eilanden) op een substraat bij 350 graden C. Volgens het elektronische groeimodel, zilveren eilanden zijn een elektronengas dat is opgesloten in een 2D-kwantumbron (energiebarrières die een elektron opsluiten). Vervolgens, de onderzoekers koelden het substraat in dezelfde vacuümcyclus af tot 25 graden om een ​​ontvochtigend effect te voorkomen. Ze verdampten het zilver op het AFT 2-D-zaad om een ​​continue monokristallijne film te vormen. Vervolgens gloeiden ze de zilverfilm bij hogere temperaturen (320-480 graden C), die de kristallijne structuur en oppervlakteruwheid van de resulterende film verbeterde. De wetenschappers noemden hun depositieproces de SCULL - voor "single-crystalline Continuous Ultra-Smooth Low-loss Low-cost" -dunne-filmproductie.

Het onderzoeksteam ontwikkelde materialen met behulp van SCULL en vergeleek de resultaten voor zes representatieve films, die drie SCULL enkelkristallijne films van verschillende diktes (35 nm, 70 nm en 100 nm) en drie 100 nm dikke polykristallijne films. De wetenschappers gebruikten hoge resolutie groothoek röntgendiffractie (XRD) om de hoge kwaliteit van films met minimale defecten te bekijken. Gebruik vervolgens transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie (HRTEM), het onderzoeksteam toonde de monokristallijne aard van de zilverfilm aan. Ze gebruikten elektronen-terugverstrooiingsdiffractie (EBSD) om de domeinstructuren te analyseren en de gemiddelde korrelgrootte van de enkelkristallijne en polykristallijne films te extraheren.

Rodionov et al. karakteriseerde de optische eigenschappen en oppervlaktetopografie van de monokristallijne films met behulp van atoomkrachtmicroscopie. Vervolgens demonstreerden ze uitgebreid materiaalzuiverheid en oppervlakteruwheid om een ​​veel zuiverdere zilverfilm in het onderzoek aan te geven. De SCULL-zilverfilms die in het werk zijn geïntroduceerd, zullen potentiële toepassingen hebben in het zich ontwikkelende gebied van kwantumplasmonica en atomair gladde monokristallijne films die een lage optische absorptie en een hoge geleidbaarheid vereisen. Rodionov et al. waargenomen een theoretisch voorspelde oppervlakte plasmon polariton voortplantingslengte voor zilver en uitzonderlijke prestaties van experimentele plasmonische apparaten met de SCULL zilverfilms.

Op deze manier, Ilya A. Rodionov en collega's ontwikkelden een tweestapsbenadering voor elektronische bundelverdamping om continu atomair gladde, monokristallijne metaalfilms over een breder diktebereik van 35-100 nm. De onderzoekers stellen zich voor dat hun voorgestelde SCULL-proces zal worden gebruikt om een ​​verscheidenheid aan atomair gladde enkelkristallijne dunne films af te zetten met behulp van een gemakkelijke, top-down fabricage apparaat in de toekomst. De unieke fysieke en optische eigenschappen van de resulterende SCULL-films kunnen nieuwe mogelijkheden openen op diverse technologische gebieden.

© 2019 Wetenschap X Netwerk