Metallfilmer med extremt låg förlust med högkvalitativa enkristaller är efterfrågade som den perfekta ytan för applikationer för nanofotonik och kvantinformationsbehandling. Silver är det klart mest föredragna materialet på grund av låg förlust vid optiska och nära infraröda (nära IR) frekvenser. I en ny studie som nu publicerats den Vetenskapliga rapporter , Ilya A. Rodionov och ett tvärvetenskapligt forskargrupp i Tyskland och Ryssland rapporterade ett tvåstegs-tillvägagångssätt för elektronisk strålförångning av atomiskt släta enkristallina metallfilmer. De föreslog en metod för att etablera termodynamisk kontroll av filmtillväxtkinetiken på atomnivå för att deponera toppmoderna metallfilmer.

Forskarna deponerade 35 till 100 nm tjockt, enkristallina silverfilmer med sub-100 pikometer (pm) ytråhet med teoretiskt begränsade optiska förluster för att bilda ultrahög-Q nanofotoniska enheter. De uppskattade experimentellt bidrag till materialrenhet, materiella spannmålsgränser, ytjämnhet och kristallinitet till metallfilms optiska egenskaper. Teamet visade ett grundläggande tvåstegssätt för enkelkristallin tillväxt av silver, guld- och aluminiumfilmer för att öppna nya möjligheter inom nanofotonik, bioteknik och supraledande kvantteknik. Forskargruppen har för avsikt att anta metoden för att syntetisera andra extremt lågförlustiga enkristallina metallfilmer.

Optoelektroniska enheter med plasmoniska effekter för nära fältmanipulation, förstärkning och sub-våglängd integration kan öppna nya gränser inom nanofotonik, kvantoptik och i kvantinformation. Än, de ohmiska förlusterna i metaller är en stor utmaning att utveckla en mängd användbara plasmoniska anordningar. Materialforskare har ägnat forskningsinsatser för att klargöra påverkan av metallfilmens egenskaper för att utveckla högpresterande materialplattformar. Enkristallina plattformar och strukturella förändringar i nanoskala kan förhindra detta problem genom att eliminera materialinducerade spridningsförluster. Även om silver är en av de mest kända plasmoniska metaller vid optiska och nära IR-frekvenser, metallen kan vara utmanande för enkelkristallin filmtillväxt.

Tidigare rapporter om enkelkristallina silverfilmstillväxtmetoder förlitade sig på molekylär stråleepitaxi (MBE) eller fysisk ångavsättning (PVD) med atomjämnhet och betydligt lägre optiska förluster. I föreliggande studie, Rodionov et al. använde en tvåstegs PVD-tillväxtmetod som tidigare utvecklats av samma forskargrupp för att få atomiskt släta enkristallina metallfilmer med hjälp av en högvakuum elektronstråleindunstare. Metoden underlättade hög kristallinitet och renhet över en atomiskt slät yta med unika optiska egenskaper och termodynamisk stabilitet. Processen är flexibel, billigt och snabbt med en hög deponeringshastighet jämfört med MBE -tekniken. Teamet kan replikera metoden med en mängd olika metaller inklusive silver, guld och aluminium - används ofta i kvantoptik och kvantinformation.

Under tvåstegsavsättningsprocessen för materialutveckling, Rodionov et al. växte först en frökristall innehållande ansträngda tvådimensionella silveröar (atomfunktioner) med atomiskt plana toppytor (AFT 2-D-öar) på ett underlag vid 350 grader C. Enligt den elektroniska tillväxtmodellen, silveröar är en elektrongas begränsad till en 2-D kvantbrunn (energibarriärer som begränsar en elektron). Sedan, forskarna kylde substratet till 25 grader C i samma vakuumcykel för att förhindra en avfuktningseffekt. De indunstade silvret på AFT 2-D-fröet för att bilda en kontinuerlig enkristallfilm tills den var klar. Därefter glödgade de silverfilmen vid högre temperaturer (320-480 grader C), vilket förbättrade den kristallina strukturen och ytjämnheten hos den resulterande filmen. Forskarna kallade sin deponeringsprocess för SCULL-för "enkelkristallin Kontinuerlig Ultra-Smooth Low-loss Low-cost"-tunnfilmsproduktion.

Forskargruppen utvecklade material med hjälp av SCULL och jämförde resultaten för sex representativa filmer, som inkluderade tre SCULL enkristallina filmer av varierande tjocklek (35 nm, 70 nm och 100 nm) och tre 100 nm tjocka polykristallina filmer. Forskarna använde högupplöst vidvinklad röntgendiffraktion (XRD) för att se filmens höga kvalitet med minimala defekter. Använd sedan högupplöst transmissionselektronmikroskopi (HRTEM), forskargruppen visade silverfilmens enkristallina karaktär. De använde elektronbackspridningsdiffraktion (EBSD) för att analysera domänstrukturerna och extrahera den genomsnittliga kornstorleken för de enkristallina och polykristallina filmerna.

Rodionov et al. kännetecknade de enkelkristallina filmens optiska egenskaper och ytopografi med användning av atomkraftsmikroskopi. De demonstrerade sedan utförligt materialrenhet och ytråhet för att indikera en mycket renare silverfilm i studien. SCULL-silverfilmerna som introduceras i arbetet kommer att ha potentiella tillämpningar inom det utvecklande området för kvantplasmonik och atomiskt släta enkristallina filmer som kräver låg optisk absorption och hög konduktivitet. Rodionov et al. observerade en teoretiskt förutsedd ytplasmonpolaritonförökningslängd för silver och exceptionell prestanda för experimentella plasmoniska enheter med SCULL -silverfilmerna.

På det här sättet, Ilya A. Rodionov och medarbetare utvecklade ett tvåstegs tillvägagångssätt för elektronisk avdunstning av strålar för att bilda kontinuerlig atomiskt jämn, enkristallina metallfilmer över ett större tjockleksintervall från 35-100 nm. Forskarna föreställer sig att deras föreslagna SCULL -process kommer att användas för att deponera en mängd atomiskt släta enkristallina tunna filmer med hjälp av en enkel, topp-ner-tillverkningsenhet i framtiden. De unika fysiska och optiska egenskaperna hos de resulterande SCULL -filmerna kan öppna nya möjligheter inom olika teknikområden.

© 2019 Science X Network