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

Ученые используют тонкие — толщиной всего в десятки нанометров — металлические пленки для создания компактных химических и биологических сенсоров, фотодетекторов, солнечных батарей, элементов оптических компьютеров. Ещё более тонкие металлические плёнки — толщиной менее 10 нм — могут быть не только проводящими, но вдобавок прозрачными и гибкими элементами таких приборов.

При разработке наноразмерных приборов наиболее популярным и хорошо себя зарекомендовавшим металлом является золото. Именно оно чаще всего используется в виде очень тонких плёнок или изготовленных из него наноструктур. Для разработки и оптимизации приборов необходимы точные данные по оптическим свойствам таких плёнок. 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 далёким 1972 годом. Согласно библиографической базе данных Scopus справочные константы из неё использовались в исследованиях, представленных по меньшей мере в 10 000 научных публикаций. Работы тех лет по оптическим свойствам тонких металлических плёнок можно считать подвигом, так как трудоёмкие экспериментальные исследования, требующие к тому же сложных расчётов, фактически проводились в докомпьютерную эпоху.

Современные приборы и практически безграничные возможности вычислительной техники позволяют проводить более детальные исследования тонких металлических плёнок. При этом известно, что оптические свойства таких плёнок, а следовательно и эффективность работы устройств, в которых они используются, зависят от многих факторов — толщины плёнки, скорости осаждения и температуры подложки, на которую осаждается плёнка. Учёные 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 плёнок золота связаны с их структурой и средним размером зёрен.

Структура оказывает большое влияние на физические свойства, поскольку электроны проводимости рассеиваются на границах зёрен, 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 плёнки менее 80 нм. Авторами работы представлены справочные данные по оптическим константам золота для широкого диапазона длин волн — от 300 до 2000 нм — для тонких плёнок толщиной от 20 до 200 нм, когда плёнки можно считать объёмными. Эти результаты будут востребованы исследователями при разработке и оптимизации различных нанофотонных устройств и метаматериалов.

Технология мирового уровня

Чтобы создать такие плёнки, учёные использовали метод электронно-лучевого испарения. Подложку из очищенного кремния кладут в вакуумную систему. Напротив неё помещают ёмкость, 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 твёрдыми. «Получается, что если поддерживать высокий вакуум, правильно прогревать металл и соблюдать все необходимые режимы, такой метод будет давать плёнки любой нужной толщины (в зависимости от времени испарения), а сами плёнки 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 плёнок 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 плёнки толщиной около 40 нм уже используются для создания высокочувствительных биосенсоров.