Ученые МФТИ определили оптические свойства сверхтонких пленок золота

Исследователи из МФТИ выполнили точные измерения диэлектрических (оптических) констант сверхтонких пленок золота с толщинами от 20 до 200 нанометров (1 нанометр — это миллиардная часть метра) в оптическом диапазоне длин волн. В настоящее время тонкие пленки золота — один из основных элементов микро- и наноразмерных оптических и оптоэлектронных устройств. Полученные результаты будут широко востребованы учеными. Работа опубликована в журнале Optics Express.

При разработке наноразмерных приборов наиболее популярным и хорошо себя зарекомендовавшим металлом является золото. Именно оно чаще всего используется в виде очень тонких пленок или изготовленных из него наноструктур. Для разработки и оптимизации приборов необходимы точные данные по оптическим свойствам таких пленок. В большинстве случаев исследователи используют табличные данные из работ, опубликованных почти полвека назад. Например, одной из самых популярных статей по оптическим константам золота до сих пор является «Optical constants of the noble metals» P. B. Johnson and R. W. Christy, датированная далеким 1972 годом. Согласно библиографической базе данных Scopus справочные константы из нее использовались в исследованиях, представленных по меньшей мере в 10 000 научных публикаций. Работы тех лет по оптическим свойствам тонких металлических пленок можно считать подвигом, так как трудоемкие экспериментальные исследования, требующие к тому же сложных расчетов, фактически проводились в докомпьютерную эпоху.

Чем тоньше, тем лучше

Современные приборы и практически безграничные возможности вычислительной техники позволяют проводить более детальные исследования тонких металлических пленок. При этом известно, что оптические свойства такихпленок, а следовательно и эффективность работы устройств, в которых они используются, зависят от многих факторов — толщины пленки, скорости осаждения и температуры подложки, на которую осаждается пленка. Ученые подобрали оптимальные начальные условия (скорость осаждения и температуру подложки) для получения наилучших оптических свойств. Далее при помощи спектральной эллипсометрии, рентгеновской дифрактометрии, электронной и атомно-силовой микроскопии были проведены необходимые измерения. Полученные результаты позволили детально изучить, как свойства тонких пленок золота связаны с их структурой и средним размером зерен.

Структура оказывает большое влияние на физические свойства, поскольку электроны проводимости рассеиваются на границах зерен, подобно тому как шарик в пинболе теряет свою энергию на различных препятствиях. Оказалось, что оптические потери, а также удельное сопротивление постоянного тока, в случае золота значительно увеличиваются при толщине пленки менее 80 нм. Авторами работы представлены справочные данные по оптическим константам золота для широкого диапазона длин волн — от 300 до 2000 нм — для тонких пленок толщиной от 20 до 200 нм, когда пленки можно считать объемными. Эти результаты будут востребованы исследователями при разработке и оптимизации различных нанофотонных устройств и метаматериалов.

Технология мирового уровня

Чтобы создать такие пленки, ученые использовали метод электронно-лучевого испарения. Подложку из очищенного кремния кладут в вакуумную систему. Напротив нее помещают емкость, в которой находятся куски металла, в нашем случае — золота. На куски металла направляется пучок электронов, ускоренный электрическим полем. Он быстро разогревает золото до жидкого состояния. Частицы золотых испарений летят в сторону подложки, оседают на ней и становятся твердыми.

«Получается, что если поддерживать высокий вакуум, правильно прогревать металл и соблюдать все необходимые режимы, такой метод будет давать пленки любой нужной толщины (в зависимости от времени испарения), а сами пленки будут практически идеально гладкими — с шероховатостью меньше нанометра, — комментирует исследование заведующий лабораторией нанооптики и плазмоники Валентин Волков. — Мы продемонстрировали, что в России существуют технологии получения высококачественных тонких металлических пленок с рекордными оптическими свойствами, которые могут использоваться в оптике и оптоэлектронике: при создании чувствительных и компактных биосенсоров, солнечных батарей, широкодиапазонных фотодетекторов и оптоэлектронных компонентов для вычислительных систем».

Подобные золотые пленки толщиной около 40 нм уже используются для создания высокочувствительных биосенсоров.