Pesquisadores do MIPT realizaram medições altamente precisas das constantes ópticas de filmes de ouro ultrafinos com espessuras variando de 20 a 200 bilionésimos de um metro na parte óptica do espectro eletromagnético. Filmes finos de ouro são componentes-chave dos modernos dispositivos ópticos e optoeletrônicos em micro e nanoescala. Os resultados da pesquisa estarão em demanda entre os pesquisadores da área. O artigo foi publicado na revista Optics Express .

Filmes de metal com espessura de dezenas de nanômetros, ou dezenas de bilionésimos de um metro, são amplamente usados ​​para produzir sensores químicos e biológicos compactos, fotodetectores, células solares, e componentes para computadores ópticos. Quando os nanofilmes são feitos mais finos do que 10 nanômetros, eles se tornam não apenas condutores, mas também flexíveis e transparentes, que pode ser aplicável em uma variedade de dispositivos modernos.

Ouro, que é amplamente utilizado no desenvolvimento de dispositivos em nanoescala, provou ser o metal mais adequado para esse fim. Essas aplicações requerem ouro na forma de filmes muito finos ou nanoestruturas. Para desenvolver e otimizar dispositivos, dados precisos sobre as propriedades de tais filmes são necessários. Mas a maioria dos dados usados ​​pelos pesquisadores atualmente são relatados em artigos publicados há quase meio século. Por exemplo, um dos artigos mais citados sobre as constantes ópticas do ouro é "Constantes ópticas dos metais nobres", de P.B. Johnson e R.W. Christy, publicado já em 1972. O banco de dados de citações Scopus revela que as constantes de referência para ouro deste papel foram usadas em pelo menos 10, 000 outras publicações. Para apreciar o significado deste trabalho, é importante ter em mente que nos anos 70, a pesquisa sobre as propriedades ópticas de filmes finos de metal exigiu um tremendo esforço, porque os experimentos desafiadores tiveram que ser seguidos por cálculos complexos e os computadores ainda não estavam difundidos.

Mais fino é melhor

Equipamentos de laboratório de última geração e o poder de computação quase ilimitado disponível para pesquisadores modernos permitem estudos mais detalhados de filmes finos de metal. Contudo, sabe-se que as propriedades ópticas de tais filmes - e, portanto, a eficiência dos dispositivos baseados neles - dependem de fatores como a espessura do filme, taxa de deposição, e a temperatura do substrato usado para a deposição do filme. De acordo, os pesquisadores do MIPT ajustaram as condições iniciais, a saber, a taxa de deposição e a temperatura do substrato, de modo a otimizar as propriedades ópticas do filme. Depois disso, eles realizaram as medições necessárias por meio de elipsometria espectroscópica, Difratometria de raios X, microscopia eletrônica e de força atômica. Os dados obtidos permitiram à equipe do MIPT estudar em detalhes como as propriedades dos filmes finos de ouro estão relacionadas à sua estrutura e tamanho médio de grão.

A estrutura de um material afeta suas propriedades físicas em grande medida, porque é nos limites dos grãos que os elétrons de condução são espalhados, perdendo energia - a maneira como uma bola em uma máquina de pinball perde o ímpeto ao bater em obstáculos. Como se viu, ambas as perdas ópticas e resistividade de corrente contínua são substancialmente aumentadas, já que a espessura do filme de ouro é reduzida para menos de 80 nanômetros. Os autores do artigo fornecem dados de referência sobre as constantes ópticas do ouro para uma ampla gama de comprimentos de onda, de 300 a 2, 000 nanômetros, para filmes com espessura de 20 a 200 nanômetros. Essas descobertas serão úteis para pesquisadores que trabalham em vários dispositivos nanofotônicos e metamateriais.

Tecnologia de ponta

Para crescer filmes finos, os pesquisadores usaram uma técnica chamada evaporação por feixe de elétrons, que envolve as seguintes etapas:Um substrato de silício purificado é introduzido em uma câmara de vácuo. Oposto ao substrato, uma amostra de metal é posicionada. O metal, neste caso ouro, é então submetido a um feixe de elétrons acelerado por um campo elétrico. Isso aquece rapidamente o ouro, fazendo com que ele derreta e, por fim, se transforme em vapor. Os átomos de ouro evaporados são então transportados através de uma região de baixa pressão de sua fonte e sofrem condensação no substrato para formar o filme fino.

"Desde que você mantenha um alto vácuo, aqueça o metal de forma adequada, e de outra forma siga o procedimento, esta técnica produz filmes de espessura arbitrária, que é determinado pelo tempo de evaporação. Além disso, os filmes são quase perfeitamente lisos, tendo uma rugosidade de menos de um nanômetro, "diz Valentyn Volkov, professor da University of Southern Denmark, que também dirige o Laboratório de Nanoóptica e Plasmônica do MIPT. "Esses filmes podem ser usados ​​em óptica e optoeletrônica para desenvolver biossensores compactos de alta sensibilidade, células solares, fotodetectores de banda larga, e componentes optoeletrônicos de computador. "

Filmes de ouro desse tipo com espessura de cerca de 40 nanômetros já são usados ​​no projeto de biossensores.