Dispositivi plasmonici, come superlenti, iperlenti e guide d'onda plasmoniche:hanno un potenziale entusiasmante per la ricerca e le applicazioni commerciali perché consentono la litografia ottica, imaging e guida d'onda da eseguire a risoluzioni inferiori al limite di diffrazione della luce. Questi dispositivi spesso richiedono film metallici ultrasottili a bassa perdita, che sono difficili da fabbricare utilizzando le attuali tecniche di deposizione. I ricercatori hanno studiato processi come la deposizione dello strato di semi e la ricottura termica per ridurre la rugosità superficiale e la densità dei bordi dei grani di questi film. Ad oggi, però, questi processi non hanno avuto grande successo.

Ora, Ee Jin Teo e colleghi dell'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, Singapore, l'Università di Hyogo, Giappone, e la National University of Singapore hanno utilizzato l'elaborazione del fascio di ioni di cluster di gas (GCIB) per levigare pellicole metalliche ultrasottili e quindi migliorare le loro proprietà. Un GCIB è costituito da migliaia di molecole di gas che sono debolmente legate dalle forze di van der Waals. Tale raggio è in grado di appianare le irregolarità della superficie e ridurre lo spessore del film con precisione nanometrica. Questa elaborazione migliora significativamente la risonanza e la propagazione dei plasmoni di superficie, e consente la fabbricazione di film ultrasottili con resistività elettrica e perdita ottica estremamente basse.

A differenza dei fasci ionici monomerici utilizzati nella fresatura a fascio ionico convenzionale e nell'incisione al plasma, un cluster di molecole di azoto gassoso con un'energia di 20 kiloelettronvolt che incide su un film d'argento può fornire un'elevata densità di energia a un volume relativamente piccolo:tuttavia il cluster penetra fino a una profondità di pochi nanometri. L'impatto del raggio sul film fa sì che gli atomi d'argento nei picchi superficiali si disperdano lateralmente verso le valli, vuoti e bordi di grano. Oltre a produrre una superficie più liscia, questa lavorazione triplica la larghezza dei grani attraverso la rideposizione di atomi ai bordi dei grani.

Il trattamento GCIB del team ha portato a un miglioramento fino a quattro volte delle proprietà elettriche e ottiche dei film di uno spessore di 12 nanometri. "Le caratteristiche uniche dell'irradiazione GCIB hanno permesso di ridurre in un'unica fase di irradiazione le perdite dovute alla rugosità superficiale, bordi e vuoti di grano, " nota Teo.

Il team di ricerca ha anche utilizzato la tecnica per levigare la superficie superiore e le pareti laterali delle guide d'onda a strisce d'argento modellate litograficamente, aumentando le lunghezze di propagazione dei plasmoni di superficie in queste guide d'onda.

"Nel futuro, intendiamo utilizzare questa tecnica per migliorare la purezza del colore dei filtri colorati o riflettori plasmonici, e anche per aumentare l'area modellata della nanolitografia con superlente, "dice Teo. "Tali sviluppi avvicineranno la ricerca plasmonica alla commercializzazione".