Les chercheurs du MIPT ont effectué des mesures très précises des constantes optiques de films d'or ultrafins avec des épaisseurs allant de 20 à 200 milliardièmes de mètre dans la partie optique du spectre électromagnétique. Les films d'or minces sont des composants clés des dispositifs optiques et optoélectroniques modernes à l'échelle micro et nanométrique. Les résultats de la recherche seront recherchés par les chercheurs du domaine. L'article a été publié dans la revue Optique Express .

Des films métalliques d'une épaisseur de quelques dizaines de nanomètres, ou des dizaines de milliardièmes de mètre, sont largement utilisés pour produire des capteurs chimiques et biologiques compacts, photodétecteurs, cellules solaires, et composants pour ordinateurs optiques. Lorsque les nanofilms sont rendus plus minces que 10 nanomètres, ils deviennent non seulement conducteurs mais aussi flexibles et transparents, qui pourrait être applicable dans une variété d'appareils modernes.

Or, qui est largement utilisé dans le développement de dispositifs à l'échelle nanométrique, s'est avéré être le métal le plus approprié à cet effet. De telles applications nécessitent de l'or sous forme de films très minces ou de nanostructures. Développer et optimiser les appareils, des données précises sur les propriétés de tels films sont nécessaires. Mais la plupart des données utilisées par les chercheurs à l'heure actuelle sont rapportées dans des articles publiés il y a près d'un demi-siècle. Par exemple, l'un des articles les plus fréquemment cités sur les constantes optiques de l'or est "Constantes optiques des métaux nobles" de P.B. Johnson et R.W. Christy, publié dès 1972. La base de données de citations Scopus révèle que les constantes de référence pour l'or de cet article ont été utilisées dans au moins 10, 000 autres publications. Pour apprécier l'importance de ce travail, il est important de garder à l'esprit que dans les années 70, la recherche sur les propriétés optiques des films métalliques minces a nécessité un effort considérable, parce que les expériences difficiles devaient être suivies de calculs complexes et que les ordinateurs n'étaient pas encore répandus.

Diluant c'est mieux

L'équipement de laboratoire de pointe et la puissance de calcul presque illimitée dont disposent les chercheurs modernes permettent des études plus détaillées des films métalliques minces. Cependant, il est connu que les propriétés optiques de tels films - et donc l'efficacité des dispositifs basés sur eux - dépendent de facteurs tels que l'épaisseur du film, taux de dépôt, et la température du substrat utilisé pour le dépôt du film. Par conséquent, les chercheurs du MIPT ont ajusté les conditions initiales, à savoir la vitesse de dépôt et la température du substrat, afin d'optimiser les propriétés optiques du film. Après ça, ils ont effectué les mesures nécessaires au moyen de l'ellipsométrie spectroscopique, Diffractométrie des rayons X, microscopie électronique et à force atomique. Les données obtenues ont permis à l'équipe du MIPT d'étudier en détail comment les propriétés des films d'or minces sont liées à leur structure et à la taille moyenne de leurs grains.

La structure d'un matériau affecte ses propriétés physiques dans une large mesure, car c'est aux joints de grains que les électrons de conduction sont diffusés, perdre de l'énergie - la façon dont une balle dans un flipper perd son élan lorsqu'elle se heurte à des obstacles. Comme ça s'est apparu, les pertes optiques et la résistivité en courant continu sont considérablement augmentées, car l'épaisseur du film d'or est réduite à moins de 80 nanomètres. Les auteurs de l'article fournissent des données de référence sur les constantes optiques de l'or pour une large gamme de longueurs d'onde, de 300 à 2, 000 nanomètres, pour des films de 20 à 200 nanomètres d'épaisseur. Ces découvertes seront utiles aux chercheurs travaillant sur divers dispositifs et métamatériaux nanophotoniques.

Technologie de pointe

Pour faire pousser des films minces, les chercheurs ont utilisé une technique appelée évaporation par faisceau d'électrons, ce qui implique les étapes suivantes ::Un substrat de silicium purifié est introduit dans une chambre à vide. Face au substrat, un échantillon de métal est positionné. Le métal, dans ce cas l'or, est ensuite soumis à un faisceau d'électrons accéléré par un champ électrique. Cela chauffe rapidement l'or, le faisant fondre et éventuellement se transformer en vapeur. Les atomes d'or évaporés sont ensuite transportés à travers une région de basse pression depuis leur source et subissent une condensation sur le substrat pour former le film mince.

« À condition que vous mainteniez un vide poussé, chauffer le métal de manière appropriée, et sinon suivre la procédure, cette technique donne des films d'épaisseur arbitraire, qui est déterminé par le temps d'évaporation. De plus, les films sont presque parfaitement lisses, ayant une rugosité inférieure au nanomètre, " dit Valentin Volkov, professeur de l'Université du Danemark du Sud, qui dirige également le Laboratoire de nanooptique et plasmonique du MIPT. « De tels films peuvent être utilisés en optique et en optoélectronique pour développer des biocapteurs compacts de haute sensibilité, cellules solaires, photodétecteurs à large bande, et des composants informatiques optoélectroniques.

Des films d'or de ce type d'une épaisseur d'environ 40 nanomètres sont déjà utilisés dans la conception de biocapteurs.