Los investigadores del MIPT han realizado mediciones de alta precisión de las constantes ópticas de películas de oro ultrafinas con espesores que van de 20 a 200 mil millonésimas de metro en la parte óptica del espectro electromagnético. Las películas delgadas de oro son componentes clave de los dispositivos ópticos y optoelectrónicos a micro y nanoescala modernos. Los resultados de la investigación serán solicitados entre los investigadores en el campo. El artículo fue publicado en la revista Óptica Express .

Películas de metal con un espesor de decenas de nanómetros, o decenas de mil millonésimas de metro, son ampliamente utilizados para producir sensores químicos y biológicos compactos, fotodetectores, células solares, y componentes para computadoras ópticas. Cuando las nanofilms se hacen más delgadas que 10 nanómetros, se vuelven no solo conductores sino también flexibles y transparentes, que podría ser aplicable en una variedad de dispositivos modernos.

Oro, que se utiliza ampliamente en el desarrollo de dispositivos a nanoescala, ha demostrado ser el metal más adecuado para este propósito. Estas aplicaciones requieren oro en forma de nanoestructuras o películas muy delgadas. Para desarrollar y optimizar dispositivos, son necesarios datos precisos sobre las propiedades de tales películas. Pero la mayoría de los datos utilizados por los investigadores en la actualidad se informan en artículos publicados hace casi medio siglo. Por ejemplo, Uno de los artículos más citados sobre las constantes ópticas del oro es "Constantes ópticas de los metales nobles" de P.B. Johnson y R.W. Christy, publicado ya en 1972. La base de datos de citas de Scopus revela que las constantes de referencia para el oro de este artículo se han utilizado en al menos 10, 000 otras publicaciones. Para apreciar la importancia de este trabajo, Es importante tener en cuenta que en los años 70, La investigación de las propiedades ópticas de las películas metálicas delgadas requirió un esfuerzo tremendo, porque los desafiantes experimentos tenían que ir seguidos de cálculos complejos y las computadoras aún no estaban muy extendidas.

Cuanto más delgado, mejor

Los equipos de laboratorio de última generación y la potencia informática casi ilimitada disponible para los investigadores modernos permiten estudios más detallados de películas delgadas de metal. Sin embargo, Se sabe que las propiedades ópticas de tales películas, y por lo tanto la eficiencia de los dispositivos basados ​​en ellas, dependen de factores como el espesor de la película, tasa de deposición, y la temperatura del sustrato utilizado para la deposición de la película. Respectivamente, los investigadores del MIPT ajustaron las condiciones iniciales, a saber, la tasa de deposición y la temperatura del sustrato, para optimizar las propiedades ópticas de la película. Después, realizaron las medidas necesarias mediante elipsometría espectroscópica, Difractometría de rayos X, microscopía electrónica y de fuerza atómica. Los datos obtenidos permitieron al equipo de MIPT estudiar en detalle cómo se relacionan las propiedades de las películas delgadas de oro con su estructura y tamaño de grano medio.

La estructura de un material afecta en gran medida sus propiedades físicas, porque es en los límites de los granos donde se dispersan los electrones de conducción, pérdida de energía:la forma en que una pelota en una máquina de pinball pierde su impulso cuando choca contra obstáculos. Como se vio despues, tanto las pérdidas ópticas como la resistividad de la corriente continua aumentan sustancialmente, a medida que el espesor de la película de oro se reduce a menos de 80 nanómetros. Los autores del artículo proporcionan datos de referencia sobre las constantes ópticas del oro para una amplia gama de longitudes de onda, de 300 a 2, 000 nanómetros, para películas de 20 a 200 nanómetros de espesor. Estos hallazgos serán de utilidad para los investigadores que trabajan en varios dispositivos y metamateriales nanofotónicos.

Estado del arte de la tecnología

Para hacer crecer películas delgadas, los investigadores utilizaron una técnica llamada evaporación por haz de electrones, que implica los siguientes pasos:Se introduce un sustrato de silicio purificado en una cámara de vacío. Frente al sustrato, se coloca una muestra de metal. El metal, en este caso oro, Luego se somete a un haz de electrones acelerado por un campo eléctrico. Esto calienta rápidamente el oro haciendo que se derrita y eventualmente se transforme en vapor. Los átomos de oro evaporados se transportan luego a través de una región de baja presión desde su fuente y experimentan condensación en el sustrato para formar la película delgada.

"Siempre que mantenga un alto vacío, calentar el metal adecuadamente, y de lo contrario siga el procedimiento, esta técnica produce películas de grosor arbitrario, que está determinada por el tiempo de evaporación. Es más, las películas son casi perfectamente lisas, tener una rugosidad de menos de un nanómetro, "dice Valentyn Volkov, profesor de la Universidad del Sur de Dinamarca, quien también dirige el Laboratorio de Nanoóptica y Plasmónica en MIPT. "Estas películas se pueden utilizar en óptica y optoelectrónica para desarrollar biosensores compactos de alta sensibilidad, células solares, fotodetectores de banda ancha, y componentes informáticos optoelectrónicos ".

En el diseño de biosensores ya se utilizan películas de oro de este tipo con un espesor de unos 40 nanómetros.