Les films métalliques à très faible perte avec des monocristaux de haute qualité sont recherchés comme surface parfaite pour les applications de nanophotonique et de traitement de l'information quantique. L'argent est de loin le matériau le plus préféré en raison de la faible perte aux fréquences optiques et proche infrarouge (proche IR). Dans une étude récente maintenant publiée sur Rapports scientifiques , Ilya A. Rodionov et une équipe de recherche interdisciplinaire en Allemagne et en Russie ont présenté une approche en deux étapes pour l'évaporation par faisceau électronique de films métalliques monocristallins atomiquement lisses. Ils ont proposé une méthode pour établir un contrôle thermodynamique de la cinétique de croissance du film au niveau atomique afin de déposer des films métalliques de pointe.

Les chercheurs ont déposé de 35 à 100 nm d'épaisseur, films d'argent monocristallins avec une rugosité de surface inférieure à 100 picomètres (pm) avec des pertes optiques théoriquement limitées pour former des dispositifs nanophotoniques à ultra-haut Q. Ils ont estimé expérimentalement la contribution de la pureté matérielle, joints de grains des matériaux, la rugosité de surface et la cristallinité aux propriétés optiques des films métalliques. L'équipe a démontré une approche fondamentale en deux étapes pour la croissance monocristalline de l'argent, des films d'or et d'aluminium pour ouvrir de nouvelles possibilités en nanophotonique, biotechnologie et technologies quantiques supraconductrices. L'équipe de recherche a l'intention d'adopter la méthode pour synthétiser d'autres films métalliques monocristallins à pertes extrêmement faibles.

Dispositifs optoélectroniques à effets plasmoniques pour manipulation en champ proche, l'amplification et l'intégration sous-longueur d'onde peuvent ouvrir de nouvelles frontières en nanophotonique, l'optique quantique et l'information quantique. Encore, les pertes ohmiques associées aux métaux sont un défi considérable pour développer une variété de dispositifs plasmoniques utiles. Les scientifiques des matériaux ont consacré leurs efforts de recherche à clarifier l'influence des propriétés des films métalliques pour développer des plates-formes de matériaux hautes performances. Les plates-formes monocristallines et les modifications structurelles à l'échelle nanométrique peuvent éviter ce problème en éliminant les pertes de diffusion induites par les matériaux. Alors que l'argent est l'un des métaux plasmoniques les plus connus aux fréquences optiques et proches de l'IR, le métal peut être difficile pour la croissance d'un film monocristallin.

Des rapports antérieurs sur les méthodes de croissance de films d'argent monocristallins reposaient sur l'épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) ou le dépôt physique en phase vapeur (PVD) avec une douceur atomique et des pertes optiques significativement plus faibles. Dans la présente étude, Rodionov et al. ont utilisé une approche de croissance PVD en deux étapes précédemment développée par la même équipe de recherche pour obtenir des films métalliques monocristallins atomiquement lisses à l'aide d'un évaporateur à faisceau d'électrons à vide poussé. La méthode a facilité une cristallinité et une pureté élevées sur une surface atomiquement lisse avec des propriétés optiques et une stabilité thermodynamique uniques. Le processus est flexible, peu coûteux et rapide avec un taux de dépôt élevé par rapport à la technique MBE. L'équipe peut reproduire la méthode avec une variété de métaux, y compris l'argent, l'or et l'aluminium, largement utilisés dans l'optique quantique et l'information quantique.

Au cours du processus de dépôt en deux étapes pour le développement des matériaux, Rodionov et al. a d'abord fait croître un cristal germe contenant des îlots d'argent bidimensionnels tendus (caractéristiques atomiques) avec des surfaces supérieures atomiquement plates (îlots AFT 2-D) sur un substrat à 350 degrés C. Selon le modèle de croissance électronique, les îles d'argent sont un gaz d'électrons confiné dans un puits quantique 2-D (barrières énergétiques qui confinent un électron). Puis, les chercheurs ont refroidi le substrat à 25 degrés C dans le même cycle de vide pour éviter un effet de démouillage. Ils ont évaporé l'argent sur la graine AFT 2-D pour former un film monocristallin continu jusqu'à la fin. Par la suite, ils ont recuit le film d'argent à des températures plus élevées (320-480 degrés C), ce qui a amélioré la structure cristalline et la rugosité de surface du film résultant. Les scientifiques ont nommé leur processus de dépôt le SCULL - pour " monocristallin continu ultra-lisse à faible perte et à faible coût " - la production de film mince.

L'équipe de recherche a développé des matériaux à l'aide de SCULL et comparé les résultats de six films représentatifs, qui comprenait trois films monocristallins SCULL d'épaisseur variable (35 nm, 70 nm et 100 nm) et trois films polycristallins de 100 nm d'épaisseur. Les scientifiques ont utilisé la diffraction des rayons X (XRD) grand angle à haute résolution pour visualiser la haute qualité des films avec des niveaux de défaut minimes. Puis en utilisant la microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM), l'équipe de recherche a démontré la nature monocristalline du film d'argent. Ils ont utilisé la diffraction par rétrodiffusion d'électrons (EBSD) pour analyser les structures des domaines et extraire la taille moyenne des grains des films monocristallins et polycristallins.

Rodionov et al. caractérisé les propriétés optiques et la topographie de surface des films monocristallins en utilisant la microscopie à force atomique. Ils ont ensuite largement démontré la pureté du matériau et la rugosité de surface pour indiquer un film d'argent beaucoup plus pur dans l'étude. Les films d'argent SCULL présentés dans le travail auront des applications potentielles dans le domaine en évolution de la plasmonique quantique et des films monocristallins atomiquement lisses qui nécessitent une faible absorption optique et une conductivité élevée. Rodionov et al. ont observé une longueur de propagation de polariton de plasmon de surface théoriquement prédite pour l'argent et des performances exceptionnelles des dispositifs plasmoniques expérimentaux avec les films d'argent SCULL.

De cette façon, Ilya A. Rodionov et ses collaborateurs ont développé une approche en deux étapes pour l'évaporation du faisceau électronique afin de former un continu atomiquement lisse, films métalliques monocristallins sur une plus large gamme d'épaisseurs de 35 à 100 nm. Les chercheurs envisagent que leur procédé SCULL proposé sera utilisé pour déposer une variété de films minces monocristallins atomiquement lisses à l'aide d'un dispositif de fabrication descendante à l'avenir. Les propriétés physiques et optiques uniques des films SCULL résultants peuvent ouvrir de nouvelles possibilités dans divers domaines technologiques.

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