Il processo SCULL (Single-cristallino Continuous Ultra-Smooth Low-loss Low-cost):deposizione in due fasi di film d'argento monocristallino. (a) Nella prima fase, un AFT 2D. Il cristallo di semi di Ag (111) viene depositato a una temperatura di 350 ° . (b) Scansione di microscopia a forza atomica (AFM) di isole AFT 2D Ag (111) (isole d'argento) depositate su un substrato di Si (111). La maggior parte delle isole AFT 2D Ag(111) ha una superficie superiore atomicamente piatta con una rugosità RMS (root mean square) inferiore a 50 pm. Nella seconda fase, il processo viene interrotto, e il substrato viene raffreddato a 25°C, seguito da un'ulteriore evaporazione dell'argento fino alla formazione di un film d'argento continuo. (c) Le immagini SEM illustrano l'evoluzione della morfologia del film durante la seconda fase dopo l'evaporazione dell'argento a 10 nm (d) e 20 nm (e) nominali su un cristallo di semi AFT 2D a 25 °С. (f) Immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) di un film monocristallino di 35 nm di spessore nominale. Il difetto sulla superficie del film è creato appositamente (mediante combustione del fascio di elettroni) per facilitare la messa a fuoco sulla superficie atomicamente liscia. Credito:rapporti scientifici, doi:10.1038/s41598-019-48508-3
I film metallici a bassissima perdita con cristalli singoli di alta qualità sono richiesti come superficie perfetta per la nanofotonica e le applicazioni di elaborazione delle informazioni quantistiche. L'argento è di gran lunga il materiale più preferito a causa della bassa perdita alle frequenze ottiche e del vicino infrarosso (vicino IR). In un recente studio ora pubblicato su Rapporti scientifici , Ilya A. Rodionov e un team di ricerca interdisciplinare in Germania e Russia hanno riportato un approccio in due fasi per l'evaporazione elettronica del fascio di film di metallo monocristallino atomicamente lisci. Hanno proposto un metodo per stabilire il controllo termodinamico della cinetica di crescita del film a livello atomico al fine di depositare film metallici all'avanguardia.
I ricercatori hanno depositato da 35 a 100 nm di spessore, film d'argento monocristallino con rugosità superficiale sub-100 picometer (pm) con perdite ottiche teoricamente limitate per formare dispositivi nanofotonici ultrahigh-Q. Hanno stimato sperimentalmente il contributo della purezza del materiale, confini del grano materiale, rugosità superficiale e cristallinità alle proprietà ottiche dei film metallici. Il team ha dimostrato un approccio fondamentale in due fasi per la crescita monocristallina dell'argento, film d'oro e di alluminio per aprire nuove possibilità nella nanofotonica, biotecnologie e tecnologie quantistiche superconduttive. Il team di ricerca intende adottare il metodo per sintetizzare altri film metallici monocristallini a bassissime perdite.
Dispositivi optoelettronici con effetti plasmonici per la manipolazione del campo vicino, l'amplificazione e l'integrazione della sub-lunghezza d'onda possono aprire nuove frontiere nella nanofotonica, ottica quantistica e nell'informazione quantistica. Ancora, le perdite ohmiche associate ai metalli rappresentano una sfida considerevole per sviluppare una varietà di dispositivi plasmonici utili. Gli scienziati dei materiali hanno dedicato sforzi di ricerca per chiarire l'influenza delle proprietà del film metallico per sviluppare piattaforme di materiali ad alte prestazioni. Piattaforme monocristalline e alterazioni strutturali su scala nanometrica possono prevenire questo problema eliminando le perdite di dispersione indotte dal materiale. Mentre l'argento è uno dei metalli plasmonici più conosciuti alle frequenze ottiche e nel vicino IR, il metallo può essere difficile per la crescita del film monocristallino.
Immagini di microscopia elettronica a scansione (SEM) con inserti di diffrazione elettronica a retrodiffusione (EBSD). Nanocristallino (NC) (a), Film d'argento policristallino (PC) (b) e monocristallino (S1) (c) che evidenziano i grani del film. Le figure polari inverse EBSD sono mostrate sopra le immagini SEM, per dimostrare una densità di orientamento dei cristalli molto stretta del film S1 (c) lungo tutte le direzioni normali. Si osserva solo un singolo dominio nel film S1, confermando l'alta qualità e la natura monocristallina senza bordi di grano su larga scala. Credito:rapporti scientifici, doi:10.1038/s41598-019-48508-3
Rapporti precedenti sui metodi di crescita del film d'argento monocristallino si basavano sull'epitassia a fascio molecolare (MBE) o sulla deposizione fisica da vapore (PVD) con levigatezza atomica e perdite ottiche significativamente inferiori. In questo studio, Rodionov et al. ha utilizzato un approccio di crescita PVD in due fasi precedentemente sviluppato dallo stesso team di ricerca per ottenere film metallici monocristallini atomicamente lisci utilizzando un evaporatore a fascio di elettroni ad alto vuoto. Il metodo ha facilitato un'elevata cristallinità e purezza su una superficie atomicamente liscia con proprietà ottiche uniche e stabilità termodinamica. Il processo è flessibile, economico e veloce con un alto tasso di deposito rispetto alla tecnica MBE. Il team può replicare il metodo con una varietà di metalli tra cui argento, oro e alluminio, ampiamente utilizzati nell'ottica quantistica e nell'informazione quantistica.
Durante il processo di deposizione in due fasi per lo sviluppo dei materiali, Rodionov et al. prima è cresciuto un seme di cristallo contenente isole d'argento bidimensionali tese (caratteristiche atomiche) con superfici superiori atomicamente piatte (isole AFT 2-D) su un substrato a 350 gradi C. Secondo il modello di crescita elettronico, le isole d'argento sono un gas di elettroni confinato in un pozzo quantico 2-D (barriere energetiche che confinano un elettrone). Quindi, i ricercatori hanno raffreddato il substrato a 25 gradi C nello stesso ciclo di vuoto per prevenire un effetto di deumidificazione. Hanno fatto evaporare l'argento sul seme 2-D AFT per formare un film continuo a cristallo singolo fino al completamento. Successivamente hanno ricotto il film d'argento a temperature più elevate (320-480 gradi C), che ha migliorato la struttura cristallina e la rugosità superficiale del film risultante. Gli scienziati hanno chiamato il loro processo di deposizione SCULL - per "produzione di film sottile monocristallino continuo ultra-liscio a bassa perdita e basso costo".
Caratterizzazione della microstruttura di un film Si (111)/Ag (111) spesso 37 nm (S1) e immagini SEM con inserti EBSD di (NC), (PC) e (S1) film. (a) Schema XRD (θ–2θ) che indica solo picchi di substrato Ag (111) e Si (111). (b) Scansione trasversale misurata (curva oscillante, -scan) attraverso il picco di diffrazione Ag (111). (c) Incidenza radente della scansione di diffrazione di raggi X nel piano (phi-scans) del piano Ag(111). (d) Curva di riflettività dei raggi X. (e) Immagine HRTEM e pattern di diffrazione elettronica (riquadro nell'angolo destro), la direzione di crescita è dal basso verso l'alto. Immagini SEM con inserti EBSD di NC (f), Film d'argento PC (g) e S1 (h) che evidenziano i grani del film. Le figure polari inverse EBSD sono mostrate sopra le immagini SEM, dimostrando una densità di orientamento dei cristalli molto stretta del film S1 (h) lungo tutte le direzioni normali. Si osserva solo un singolo dominio per il film S1 in entrambi i 2 μm (h) su piccola scala. Credito:rapporti scientifici, doi:10.1038/s41598-019-48508-3
Il team di ricerca ha sviluppato materiali utilizzando SCULL e ha confrontato i risultati di sei film rappresentativi, che comprendeva tre film monocristallini SCULL di vario spessore (35 nm, 70 nm e 100 nm) e tre film policristallini spessi 100 nm. Gli scienziati hanno utilizzato la diffrazione dei raggi X grandangolare ad alta risoluzione (XRD) per visualizzare l'alta qualità delle pellicole con livelli minimi di difetto. Quindi utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione (HRTEM), il team di ricerca ha dimostrato la natura monocristallina del film d'argento. Hanno usato la diffrazione a retrodiffusione di elettroni (EBSD) per analizzare le strutture del dominio ed estrarre la dimensione media dei grani dei film monocristallini e policristallini.
Proprietà ottiche e caratterizzazione superficiale. Parte reale (a) e immaginaria (b) della permittività dielettrica dei film monocristallini (S1, S4, S5). Permettività dielettrica (c, d) di nominalmente 100 nm di spessore monocristallino (S5) e policristallino (PC, NC, PCBG). Scansioni AFM di S1 (e), Pellicole S4 (g) e M1 (h) misurate su un'area di 2,5 × 2,5 μm2, e S1 (f) pellicola, misurato su un'area di 50 × 50 μm2. Tutte le superfici dei film sono continue senza pinhole e non osserviamo bordi di grano per i film monocristallini (e–h). Il film S1 è estremamente liscio con un livello atomico di rugosità quadratica media (RMS) pari a 90 pm (e), che è il film d'argento monocristallino più liscio riportato. La rugosità RMS dei film più spessi S4 e M1 è leggermente maggiore, ma ancora estremamente liscia di 0.43 nm (ñ) e 0.35 nm (d). Credito:rapporti scientifici, doi:10.1038/s41598-019-48508-3
Rodionov et al. caratterizzato le proprietà ottiche e la topografia superficiale dei film monocristallini mediante microscopia a forza atomica. Hanno quindi ampiamente dimostrato la purezza del materiale e la rugosità superficiale per indicare un film d'argento molto più puro nello studio. I film d'argento SCULL introdotti nel lavoro avranno potenziali applicazioni nel campo in evoluzione della plasmonica quantistica e film monocristallini atomicamente lisci che richiedono un basso assorbimento ottico e un'elevata conduttività. Rodionov et al. osservato una lunghezza di propagazione del polaritone plasmonico di superficie teoricamente prevista per l'argento e prestazioni eccezionali dei dispositivi plasmonici sperimentali con i film d'argento SCULL.
In questo modo, Ilya A. Rodionov e collaboratori hanno sviluppato un approccio in due fasi per l'evaporazione del fascio elettronico per formare un flusso continuo atomicamente liscio, film metallici monocristallini su una gamma più ampia di spessori da 35-100 nm. I ricercatori prevedono che il loro processo SCULL proposto verrà utilizzato per depositare una varietà di film sottili monocristallini atomicamente lisci utilizzando un facile, dispositivo di fabbricazione top-down in futuro. Le proprietà fisiche e ottiche uniche delle pellicole SCULL risultanti possono aprire nuove possibilità in diversi campi della tecnologia.
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