В НОЦ Функциональные Микро/Наносистемы на базе МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» созданы эпитаксиальные серебряные пленки, улучшающие свои свойства с течением времени. Уникальными долгожителями стали пленки металлов, осажденные по запатентованной SCULL-технологии НОЦ ФМН. Высокое качество структуры SCULL-пленок останавливает процесс деградации, свойственный серебру. Материал найдет применение в области нанофотоники, оптики, квантовых вычислений и коммуникаций.

Серебро и золото – наиболее востребованные в оптике и плазмонике материалы, спектр использования которых охватывает интегральные плазмонные устройства, элементы вычислительных систем и различные функциональные покрытия. Серебро имеет самые низкие оптические потери в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне длин волн, но при этом имеет большой недостаток: значительное ухудшение свойств с течением времени. Исследование механизмов деградации серебра и поиск решений для ее предотвращения являются важной и актуальной научной задачей.

На протяжении двух лет команда ученых НОЦ ФМН и ИТПЭ РАН исследовала монокристаллические пленки серебра толщиной от 25 до 70 нм, нанесенные на кремниевые подложки. С применением методов спектроскопической эллипсометрии, сканирующей электронной микроскопии сверхвысокого разрешения и стилусной профилометрии были исследованы морфология поверхности, кристаллическая структура и оптические характеристики металла. Характеристики серебряных пленок измерялись в стандартных лабораторных условиях.

Следы деградации пленок проявились спустя 7-19 месяцев после осаждения: на поверхности металлов возникли объемные структуры, разрывы и прочие дефекты. При этом в химическом составе образцов присутствия связей серебра с активными химическими элементами (AgCl, Ag2S, Ag2O, Ag2CO3) обнаружено не было, что говорит о том, что интенсивность деградации пленок определяется другими факторами. В их числе – уровень шероховатости металлов, количество дефектов на их поверхности, а также наличие внутренних остаточных напряжений, возникших в процессе роста структуры.

Наилучшую стабильность с точки зрения сохранения своих свойств продемонстрировали пленки монокристаллического серебра толщиной 35–50 нм, осажденные по запатентованной SCULL-технологии. Более того, по результатам исследований доказано, что со временем они улучшают свою структуру с одновременным изменением морфологии поверхности.

«SCULL-технология позволяет нам создавать практически структурно идеальные тонкие пленки металлов с шероховатостью поверхности на уровне диаметра атома самого материала – 90-200 пикометров. Такая структура обеспечивает не только уникальные свойства металла, но и его стабильность с течением времени. Нам удалось справиться с одним из недостатков серебра – быстрым «старением», а значит, повернуть время вспять и создать сверхкачественный материал для применения в области нанофотоники, оптики, квантовых вычислений и коммуникаций», – отметил Илья Родионов, директор НОЦ ФМН.

«На основе SCULL-технологии нам уже удалось поставить ряд мировых рекордов, в частности, с ИСАН РАН достичь максимальной теоретически предсказанной длины распространения поверхностного плазмона 200 мкм и совместно с Purdue University создать самый яркий однофотонный источник (скорость излучения – 35 миллионов одиночных фотонов в секунду), работающий при комнатной температуре. Стабильность пленок снимает ограничения по времени работы с ними и позволяет создавать стабильные фотонные устройства на их основе», – отметил Александр Бабурин, руководитель группы нанофотоники НОЦ ФМН.

Результаты проведенной работы дали исследователям возможность предложить механизм изменения характеристик металлических тонких пленок, связанный с распределением внутренних напряжений и склонностью серебряных слоев к несмачиванию поверхности и образованию капель. В рамках предложенного командой НОЦ ФМН и ИТПЭ РАН механизма объясняются характер зависимостей шероховатости и оптических характеристик пленок разных толщин от времени.