El proceso SCULL (Monocristalino Continuo Ultra Suave de Baja Pérdida y Bajo Costo):Deposición en dos pasos de películas de plata monocristalina. (a) En el primer paso, un AFT 2D. El cristal de semilla de Ag (111) se deposita a una temperatura de 350 ° С. (b) Escaneo de microscopía de fuerza atómica (AFM) de islas AFT 2D Ag (111) (islas de plata) depositadas sobre un sustrato de Si (111). La mayoría de las islas AFT 2D Ag (111) tienen una superficie superior atómicamente plana con una rugosidad RMS (media cuadrática) inferior a 50 pm. En el segundo paso, el proceso se detiene, y el sustrato se enfría a 25 ° С seguido de una evaporación de plata adicional hasta que se forma una película de plata continua. (c) Las imágenes SEM ilustran la evolución de la morfología de la película durante el segundo paso después de una evaporación de plata nominal de 10 nm (d) y 20 nm (e) en un cristal semilla AFT 2D a 25 ° С. (f) Imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) de una película monocristalina de espesor nominal de 35 nm. El defecto en la superficie de la película se crea a propósito (quemando un haz de electrones) para facilitar el enfoque en la superficie atómicamente lisa. Crédito:Informes científicos, doi:10.1038 / s41598-019-48508-3
Las películas de metal de pérdida ultrabaja con monocristales de alta calidad tienen demanda como la superficie perfecta para aplicaciones de procesamiento de información cuántica y nanofotónica. La plata es, con mucho, el material más preferido debido a la baja pérdida en las frecuencias ópticas y del infrarrojo cercano (infrarrojo cercano). En un estudio reciente ahora publicado en Informes científicos , Ilya A. Rodionov y un equipo de investigación interdisciplinario en Alemania y Rusia informaron sobre un enfoque de dos pasos para la evaporación por haz electrónico de películas de metal monocristalino atómicamente lisas. Propusieron un método para establecer el control termodinámico de la cinética de crecimiento de la película a nivel atómico para depositar películas metálicas de última generación.
Los investigadores depositaron de 35 a 100 nm de espesor, películas de plata monocristalina con una rugosidad superficial de picómetro inferior a 100 (pm) con pérdidas ópticas teóricamente limitadas para formar dispositivos nanofotónicos de Q ultra alta. Ellos estimaron experimentalmente la contribución de la pureza del material, límites de grano de material, rugosidad superficial y cristalinidad a las propiedades ópticas de las películas metálicas. El equipo demostró un enfoque fundamental de dos pasos para el crecimiento monocristalino de plata, películas de oro y aluminio para abrir nuevas posibilidades en nanofotónica, biotecnología y tecnologías cuánticas superconductoras. El equipo de investigación tiene la intención de adoptar el método para sintetizar otras películas de metal monocristalino de pérdidas extremadamente bajas.
Dispositivos optoelectrónicos con efectos plasmónicos para manipulación de campo cercano, La amplificación y la integración de sub-longitudes de onda pueden abrir nuevas fronteras en nanofotónica, óptica cuántica y en información cuántica. Todavía, las pérdidas óhmicas asociadas en los metales son un desafío considerable para desarrollar una variedad de dispositivos plasmónicos útiles. Los científicos de materiales han dedicado esfuerzos de investigación para aclarar la influencia de las propiedades de las películas metálicas para desarrollar plataformas de materiales de alto rendimiento. Las plataformas monocristalinas y las alteraciones estructurales a nanoescala pueden prevenir este problema al eliminar las pérdidas por dispersión inducidas por el material. Si bien la plata es uno de los metales plasmónicos más conocidos en frecuencias ópticas y de infrarrojo cercano, el metal puede ser un desafío para el crecimiento de película monocristalina.
Imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) con insertos de difracción por retrodispersión de electrones (EBSD). Nanocristalino (NC) (a), Películas de plata policristalina (PC) (b) y monocristalina (S1) (c) que destacan los granos de la película. Las cifras de polos inversos de EBSD se muestran encima de las imágenes SEM, para demostrar una densidad de orientación de cristal muy ajustada de la película S1 (c) a lo largo de todas las direcciones normales. Solo se observa un dominio en la película S1, confirmando la alta calidad y la naturaleza monocristalina sin límites de grano en una gran escala de longitud. Crédito:Informes científicos, doi:10.1038 / s41598-019-48508-3
Los informes anteriores sobre métodos de crecimiento de película de plata monocristalina se basaban en la epitaxia de haz molecular (MBE) o la deposición física de vapor (PVD) con suavidad atómica y pérdidas ópticas significativamente menores. En el presente estudio, Rodionov y col. utilizó un enfoque de crecimiento de PVD de dos pasos desarrollado previamente por el mismo equipo de investigación para obtener películas de metal monocristalino atómicamente lisas utilizando un evaporador de haz de electrones de alto vacío. El método facilitó una alta cristalinidad y pureza a través de una superficie atómicamente lisa con propiedades ópticas únicas y estabilidad termodinámica. El proceso es flexible, económico y rápido con una alta tasa de deposición en comparación con la técnica MBE. El equipo puede replicar el método con una variedad de metales, incluida la plata, oro y aluminio:ampliamente utilizados en óptica cuántica e información cuántica.
Durante el proceso de deposición de dos pasos para el desarrollo de materiales, Rodionov y col. primero cultivó un cristal semilla que contenía islas de plata bidimensionales tensas (características atómicas) con superficies superiores atómicamente planas (islas AFT 2-D) en un sustrato a 350 grados C. De acuerdo con el modelo de crecimiento electrónico, Las islas de plata son un gas de electrones confinado a un pozo cuántico bidimensional (barreras de energía que confinan un electrón). Luego, los investigadores enfriaron el sustrato a 25 grados C en el mismo ciclo de vacío para evitar un efecto de deshumectación. Evaporaron la plata en la semilla AFT 2-D para formar una película monocristalina continua hasta su finalización. Posteriormente recocieron la película de plata a temperaturas más altas (320-480 grados C), que mejoró la estructura cristalina y la rugosidad superficial de la película resultante. Los científicos llamaron a su proceso de deposición SCULL, por "producción de película fina, monocristalina, continua, ultra suave, de bajas pérdidas y bajo costo".
Caracterización de la microestructura de una película (S1) de Si (111) / Ag (111) de 37 nm de espesor e imágenes SEM con insertos EBSD de (NC), Películas (PC) y (S1). (a) Patrón XRD (θ – 2θ) que indica solo picos de sustrato de Ag (111) y Si (111). (b) Escaneo transversal medido (curva de balanceo, ω-scan) a través del pico de difracción de Ag (111). (c) Incidencia rasante del barrido de difracción de rayos X en el plano (barridos phi) del plano Ag (111). (d) Curva de reflectividad de rayos X. (e) Imagen HRTEM y patrón de difracción de electrones (recuadro en la esquina derecha), la dirección de crecimiento es de abajo hacia arriba. Imágenes SEM con insertos EBSD de NC (f), Películas de plata de PC (g) y S1 (h) que resaltan los granos de la película. Las cifras de polos inversos de EBSD se muestran encima de las imágenes SEM, demostrando una densidad de orientación de cristal muy ajustada de la película S1 (h) a lo largo de todas las direcciones normales. Solo se observa un dominio único para la película S1 tanto en pequeña escala de 2 μm (h). Crédito:Informes científicos, doi:10.1038 / s41598-019-48508-3
El equipo de investigación desarrolló materiales utilizando SCULL y comparó los resultados de seis películas representativas, que incluía tres películas monocristalinas SCULL de espesor variable (35 nm, 70 nm y 100 nm) y tres películas policristalinas de 100 nm de espesor. Los científicos utilizaron difracción de rayos X de gran angular (XRD) de alta resolución para ver la alta calidad de las películas con niveles mínimos de defecto. Luego, utilizando microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM), el equipo de investigación demostró la naturaleza monocristalina de la película de plata. Utilizaron difracción por retrodispersión de electrones (EBSD) para analizar las estructuras del dominio y extraer el tamaño de grano promedio de las películas monocristalinas y policristalinas.
Propiedades ópticas y caracterización de superficies. Parte real (a) e imaginaria (b) de la permitividad dieléctrica de las películas monocristalinas (S1, S4, S5). Permitividad dieléctrica (c, d) de un espesor nominal de 100 nm monocristalino (S5) y policristalino (PC, CAROLINA DEL NORTE, PCBG) películas. Exploraciones AFM de S1 (e), Películas de S4 (g) y M1 (h) medidas en un área de 2,5 × 2,5 μm2, y película S1 (f), medido en un área de 50 × 50 μm2. Todas las superficies de las películas son continuas sin poros y no observamos límites de grano para las películas monocristalinas (e – h). La película S1 es extremadamente suave con un nivel atómico de rugosidad cuadrática media (RMS) igual a 90 pm (e), que es la película de plata monocristalina más suave reportada. La rugosidad RMS de las películas más gruesas S4 y M1 es ligeramente mayor, pero aún extremadamente suave de 0,43 nm (с) y 0,35 nm (d). Crédito:Informes científicos, doi:10.1038 / s41598-019-48508-3
Rodionov y col. caracterizó las propiedades ópticas y la topografía de la superficie de las películas monocristalinas utilizando microscopía de fuerza atómica. Luego demostraron ampliamente la pureza del material y la rugosidad de la superficie para indicar una película de plata mucho más pura en el estudio. Las películas de plata SCULL introducidas en el trabajo tendrán aplicaciones potenciales en el campo en evolución de la plasmónica cuántica y las películas monocristalinas atómicamente lisas que requieren baja absorción óptica y alta conductividad. Rodionov y col. observaron una longitud de propagación del polaritón del plasmón superficial teóricamente predicha para la plata y un rendimiento excepcional de los dispositivos plasmónicos experimentales con las películas de plata SCULL.
De este modo, Ilya A. Rodionov y sus colaboradores desarrollaron un enfoque de dos pasos para la evaporación del haz electrónico a fin de formar un sistema continuo atómicamente suave, películas de metal monocristalino en un rango más amplio de espesores de 35-100 nm. Los investigadores prevén que su proceso SCULL propuesto se utilizará para depositar una variedad de películas delgadas monocristalinas atómicamente lisas utilizando un sencillo, dispositivo de fabricación de arriba hacia abajo en el futuro. Las propiedades físicas y ópticas únicas de las películas SCULL resultantes pueden abrir nuevas posibilidades en diversos campos de la tecnología.
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