Forskare vid MIPT har utfört mycket exakta mätningar av de optiska konstanterna för ultratunna guldfilmer med tjocklekar som sträcker sig från 20 till 200 miljarddelar av en meter i den optiska delen av det elektromagnetiska spektrumet. Tunna guldfilmer är nyckelkomponenter i moderna optiska och optoelektroniska enheter i mikro- och nanoskala. Forskningsresultaten kommer att efterfrågas bland forskare inom området. Uppsatsen publicerades i tidskriften Optik Express .

Metallfilmer med en tjocklek av tiotals nanometer, eller tiotals miljarddelar av en meter, används ofta för att producera kompakta kemiska och biologiska sensorer, fotodetektorer, solceller, och komponenter för optiska datorer. När nanofilmer görs tunnare än 10 nanometer, de blir inte bara ledande utan också flexibla och transparenta, som kan vara tillämpbart i en mängd olika moderna enheter.

Guld, som används flitigt i utveckling av enheter i nanoskala, har visat sig vara den mest lämpliga metallen för ändamålet. Sådana applikationer kräver guld i form av mycket tunna filmer eller nanostrukturer. För att utveckla och optimera enheter, exakta uppgifter om egenskaperna hos sådana filmer är nödvändiga. Men de flesta data som används av forskare för närvarande rapporteras i tidningar som publicerades för nästan ett halvt sekel sedan. Till exempel, en av de mest citerade artiklarna om guldets optiska konstanter är "Optical constants of the noble metals" av P.B. Johnson och R.W. Christy, publicerad så tidigt som 1972. Scopus citationsdatabasen avslöjar att referenskonstanterna för guld från denna artikel har använts i minst 10, 000 andra publikationer. För att förstå betydelsen av detta arbete, det är viktigt att komma ihåg att på 70-talet, forskning om de optiska egenskaperna hos tunna metallfilmer krävde en enorm ansträngning, eftersom de utmanande experimenten måste följas av komplexa beräkningar och datorer ännu inte var utbredda.

Tunnare är bättre

Toppmodern laboratorieutrustning och den nästan obegränsade beräkningskraften som är tillgänglig för moderna forskare möjliggör mer detaljerade studier av tunna metallfilmer. Dock, det är känt att de optiska egenskaperna hos sådana filmer – och därför effektiviteten hos enheter baserade på dem – beror på faktorer som filmtjocklek, avsättningshastighet, och temperaturen på substratet som används för filmavsättning. Följaktligen, MIPT-forskarna justerade de initiala förhållandena, nämligen avsättningshastigheten och substrattemperaturen, för att optimera filmens optiska egenskaper. Efter det, de utförde de nödvändiga mätningarna med hjälp av spektroskopisk ellipsometri, Röntgendiffraktometri, elektron- och atomkraftsmikroskopi. De erhållna uppgifterna gjorde det möjligt för MIPT-teamet att i detalj studera hur egenskaperna hos tunna guldfilmer är relaterade till deras struktur och genomsnittliga kornstorlek.

Ett materials struktur påverkar dess fysiska egenskaper i stor utsträckning, eftersom det är vid korngränserna som ledningselektroner sprids, förlora energi – hur en boll i ett flipperspel tappar fart när den kör in i hinder. Som det blev, både optiska förluster och likströmsresistivitet ökar avsevärt, eftersom tjockleken på guldfilmen reduceras till under 80 nanometer. Författarna till artikeln tillhandahåller referensdata om guldets optiska konstanter för ett brett spektrum av våglängder, från 300 till 2, 000 nanometer, för filmer som är 20 till 200 nanometer tjocka. Dessa resultat kommer att vara till nytta för forskare som arbetar med olika nanofotoniska enheter och metamaterial.

Toppmodern teknik

För att odla tunna filmer, forskarna använde en teknik som kallas elektronstråleförångning, vilket innefattar följande steg::Ett renat kiselsubstrat införs i en vakuumkammare. Mittemot underlaget, ett metallprov placeras. Metallen, i detta fall guld, utsätts sedan för en elektronstråle som accelereras av ett elektriskt fält. Detta värmer snabbt upp guldet vilket får det att smälta och så småningom omvandlas till ånga. De förångade guldatomerna transporteras sedan över ett område med lågt tryck från sin källa och genomgår kondensation på substratet för att bilda den tunna filmen.

"Förutsatt att du upprätthåller ett högt vakuum, värm metallen på lämpligt sätt, och i övrigt följa proceduren, denna teknik ger filmer av godtycklig tjocklek, som bestäms av förångningstiden. Dessutom, filmerna är nästan perfekt jämna, har en grovhet på mindre än en nanometer, säger Valentyn Volkov, professor vid Syddansk Universitet, som också leder Laboratory of Nanooptics and Plasmonics vid MIPT. "Sådana filmer kan användas i optik och optoelektronik för att utveckla högkänsliga kompakta biosensorer, solceller, bredbandsfotodetektorer, och optoelektroniska datorkomponenter."

Guldfilmer av detta slag med en tjocklek på cirka 40 nanometer används redan i biosensordesign.