I ricercatori del MIPT hanno condotto misurazioni estremamente precise delle costanti ottiche di film d'oro ultrasottili con spessori che vanno da 20 a 200 miliardesimi di metro nella parte ottica dello spettro elettromagnetico. I sottili film d'oro sono componenti chiave dei moderni dispositivi ottici e optoelettronici su micro e nanoscala. I risultati della ricerca saranno richiesti dai ricercatori del settore. Il documento è stato pubblicato sulla rivista Ottica Express .

Film metallici con uno spessore di decine di nanometri, o decine di miliardesimi di metro, sono ampiamente utilizzati per produrre sensori chimici e biologici compatti, fotorilevatori, celle solari, e componenti per computer ottici. Quando i nanofilm sono più sottili di 10 nanometri, diventano non solo conduttivi ma anche flessibili e trasparenti, che potrebbe essere applicabile in una varietà di dispositivi moderni.

Oro, che è ampiamente utilizzato nello sviluppo di dispositivi su scala nanometrica, si è rivelato il metallo più adatto allo scopo. Tali applicazioni richiedono oro sotto forma di film molto sottili o nanostrutture. Per sviluppare e ottimizzare i dispositivi, sono necessari dati precisi sulle proprietà di tali film. Ma la maggior parte dei dati utilizzati attualmente dai ricercatori sono riportati in documenti pubblicati quasi mezzo secolo fa. Ad esempio, uno degli articoli più citati sulle costanti ottiche dell'oro è "Costanti ottiche dei metalli nobili" di P.B. Johnson e RW Christy, pubblicato già nel 1972. Il database delle citazioni Scopus rivela che le costanti di riferimento per l'oro di questo documento sono state utilizzate in almeno 10, 000 altre pubblicazioni. Per apprezzare il significato di questo lavoro, è importante tenere presente che negli anni '70, la ricerca sulle proprietà ottiche dei film metallici sottili ha richiesto uno sforzo enorme, perché gli esperimenti impegnativi dovevano essere seguiti da calcoli complessi e i computer non erano ancora diffusi.

Più sottile è meglio

Le apparecchiature di laboratorio all'avanguardia e la potenza di calcolo quasi illimitata a disposizione dei ricercatori moderni consentono studi più dettagliati sui film di metallo sottile. Però, è noto che le proprietà ottiche di tali film, e quindi l'efficienza dei dispositivi basati su di essi, dipendono da fattori quali lo spessore del film, tasso di deposito, e la temperatura del substrato utilizzato per la deposizione del film. Di conseguenza, i ricercatori del MIPT hanno aggiustato le condizioni iniziali, vale a dire la velocità di deposizione e la temperatura del substrato, in modo da ottimizzare le proprietà ottiche del film. Dopo di che, hanno effettuato le misurazioni necessarie mediante ellissometria spettroscopica, diffrattometria a raggi X, microscopia elettronica e a forza atomica. I dati ottenuti hanno permesso al team del MIPT di studiare in dettaglio come le proprietà dei film sottili d'oro sono correlate alla loro struttura e alla dimensione media dei grani.

La struttura di un materiale influenza in larga misura le sue proprietà fisiche, perché è ai bordi dei grani che gli elettroni di conduzione vengono dispersi, perdere energia, come una pallina in un flipper perde il suo slancio quando incontra degli ostacoli. Come si è scoperto, sia le perdite ottiche che la resistività in corrente continua sono sostanzialmente aumentate, poiché lo spessore del film d'oro si riduce a meno di 80 nanometri. Gli autori dell'articolo forniscono dati di riferimento sulle costanti ottiche dell'oro per un'ampia gamma di lunghezze d'onda, da 300 a 2, 000 nanometri, per film di spessore compreso tra 20 e 200 nanometri. Questi risultati saranno utili ai ricercatori che lavorano su vari dispositivi e metamateriali nanofotonici.

Tecnologia all'avanguardia

Per far crescere film sottili, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata evaporazione del fascio di elettroni, che prevede i seguenti passaggi:Un substrato di silicio purificato viene introdotto in una camera a vuoto. Di fronte al substrato, viene posizionato un campione di metallo. Il metallo, in questo caso oro, viene quindi sottoposto ad un fascio di elettroni accelerato da un campo elettrico. Questo riscalda rapidamente l'oro facendolo sciogliere e alla fine trasformarsi in vapore. Gli atomi d'oro evaporati vengono quindi trasportati attraverso una regione a bassa pressione dalla loro sorgente e subiscono una condensazione sul substrato per formare il film sottile.

"A condizione che tu mantenga un alto vuoto, riscaldare il metallo in modo appropriato, e in caso contrario seguire la procedura, questa tecnica produce film di spessore arbitrario, che è determinato dal tempo di evaporazione. Inoltre, i film sono quasi perfettamente lisci, avente una rugosità inferiore a un nanometro, "dice Valentyn Volkov, professore dell'Università della Danimarca meridionale, che dirige anche il Laboratorio di Nanoottica e Plasmonica al MIPT. "Tali pellicole possono essere utilizzate in ottica e optoelettronica per sviluppare biosensori compatti ad alta sensibilità, celle solari, fotorilevatori a banda larga, e componenti di computer optoelettronici."

Film d'oro di questo tipo con uno spessore di circa 40 nanometri sono già utilizzati nella progettazione dei biosensori.