O processo SCULL (Monocristalino Contínuo Ultra-Suave, Baixa Perda e Baixo Custo):Deposição em duas etapas de filmes de prata monocristalinos. (a) Na primeira etapa, um AFT 2D. O cristal de semente de Ag (111) é depositado sob temperatura de 350 ° C. (b) Varredura de microscopia de força atômica (AFM) de ilhas AFT 2D Ag (111) (ilhas de prata) depositadas em um substrato de Si (111). A maioria das ilhas AFT 2D Ag (111) tem superfície superior atomicamente plana com uma rugosidade RMS (root mean square) inferior a 50 pm. Na segunda etapa, o processo está parado, e o substrato é resfriado até 25 ° С seguido por evaporação adicional de prata até que um filme contínuo de prata seja formado. (c) As imagens SEM ilustram a evolução da morfologia do filme durante a segunda etapa após a evaporação nominal da prata de 10 nm (d) e 20 nm (e) em um cristal de semente 2D AFT a 25 ° С. (f) Imagem de microscopia eletrônica de varredura (SEM) de filme monocristalino de espessura nominal de 35 nm. O defeito na superfície do filme é criado propositalmente (pela queima do feixe de elétrons) para facilitar o foco na superfície atomicamente lisa. Crédito:Relatórios Científicos, doi:10.1038 / s41598-019-48508-3
Filmes de metal de ultrabaixa perda com cristais únicos de alta qualidade são procurados como a superfície perfeita para nanofotônica e aplicações de processamento de informações quânticas. A prata é de longe o material mais preferido devido à baixa perda nas frequências ópticas e infravermelho próximo (infravermelho próximo). Em um estudo recente agora publicado em Relatórios Científicos , Ilya A. Rodionov e uma equipe de pesquisa interdisciplinar na Alemanha e na Rússia relataram uma abordagem em duas etapas para a evaporação de feixe eletrônico de filmes de metal monocristalino atomicamente lisos. Eles propuseram um método para estabelecer o controle termodinâmico da cinética de crescimento do filme em nível atômico, a fim de depositar filmes de metal de última geração.
Os pesquisadores depositaram 35 a 100 nm de espessura, filmes de prata monocristalinos com rugosidade de superfície abaixo de 100 picômetros (pm) com perdas ópticas teoricamente limitadas para formar dispositivos nanofotônicos de Q ultra-alto. Eles estimaram experimentalmente a contribuição da pureza do material, limites de grãos materiais, rugosidade superficial e cristalinidade às propriedades ópticas de filmes metálicos. A equipe demonstrou uma abordagem fundamental em duas etapas para o crescimento monocristalino de prata, filmes de ouro e alumínio para abrir novas possibilidades em nanofotônica, biotecnologia e tecnologias quânticas supercondutoras. A equipe de pesquisa pretende adotar o método para sintetizar outros filmes de metal monocristalino de perda extremamente baixa.
Dispositivos optoeletrônicos com efeitos plasmônicos para manipulação de campo próximo, amplificação e integração de subcomprimento de onda podem abrir novas fronteiras na nanofotônica, óptica quântica e na informação quântica. Ainda, as perdas ôhmicas associadas aos metais são um desafio considerável para desenvolver uma variedade de dispositivos plasmônicos úteis. Cientistas de materiais têm dedicado esforços de pesquisa para esclarecer a influência das propriedades do filme de metal para desenvolver plataformas de materiais de alto desempenho. Plataformas monocristalinas e alterações estruturais em nanoescala podem evitar esse problema, eliminando perdas por espalhamento induzidas por material. Embora a prata seja um dos metais plasmônicos mais conhecidos em frequências ópticas e quase infravermelhas, o metal pode ser um desafio para o crescimento de filme monocristalino.
Imagens de microscopia eletrônica de varredura (SEM) com inserções de difração de elétron retroespalhado (EBSD). Nanocristalino (NC) (a), Filmes de prata policristalinos (PC) (b) e monocristalinos (S1) (c) destacando os grãos do filme. As figuras do pólo inverso do EBSD são mostradas acima das imagens SEM, para demonstrar a densidade de orientação de cristal muito estreita do filme S1 (c) ao longo de todas as direções normais. Apenas um único domínio é observado no filme S1, confirmando a alta qualidade e natureza monocristalina sem limites de grão em uma escala de comprimento grande. Crédito:Relatórios Científicos, doi:10.1038 / s41598-019-48508-3
Relatórios anteriores sobre métodos de crescimento de filme de prata monocristalino se basearam em epitaxia de feixe molecular (MBE) ou deposição física de vapor (PVD) com suavidade atômica e perdas ópticas significativamente menores. No presente estudo, Rodionov et al. usou uma abordagem de crescimento de PVD de duas etapas previamente desenvolvida pela mesma equipe de pesquisa para obter filmes de metal monocristalino atomicamente lisos usando um evaporador de feixe de elétrons de alto vácuo. O método facilitou alta cristalinidade e pureza em uma superfície atomicamente lisa com propriedades ópticas exclusivas e estabilidade termodinâmica. O processo é flexível, barato e rápido com uma alta taxa de deposição em comparação com a técnica MBE. A equipe pode replicar o método com uma variedade de metais, incluindo prata, ouro e alumínio - amplamente utilizados em óptica quântica e informações quânticas.
Durante o processo de deposição de duas etapas para o desenvolvimento de materiais, Rodionov et al. primeiro cresceu um cristal semente contendo ilhas de prata bidimensionais tensionadas (características atômicas) com superfícies de topo atomicamente planas (ilhas AFT 2-D) em um substrato a 350 graus C. De acordo com o modelo de crescimento eletrônico, ilhas de prata são um gás de elétron confinado a um poço quântico 2-D (barreiras de energia que confinam um elétron). Então, os pesquisadores resfriaram o substrato a 25 graus C no mesmo ciclo de vácuo para evitar um efeito de orvalho. Eles evaporaram a prata na semente AFT 2-D para formar um filme de cristal único contínuo até a conclusão. Posteriormente, eles recozeram o filme de prata em temperaturas mais altas (320-480 graus C), que melhorou a estrutura cristalina e a rugosidade da superfície do filme resultante. Os cientistas chamaram seu processo de deposição de SCULL - para "monocristalino Contínuo Ultra-Suave, Baixa perda e Baixo custo" - produção de filme fino.
Caracterização da microestrutura de um filme de 37 nm de espessura de Si (111) / Ag (111) (S1) e imagens de SEM com inserções de EBSD (NC), Filmes (PC) e (S1). (a) Padrão de XRD (θ – 2θ) indicando apenas os picos do substrato Ag (111) e Si (111). (b) Varredura transversal medida (curva de balanço, ω-scan) através do pico de difração Ag (111). (c) Incidência de raspagem da varredura de difração de raios-X no plano (varreduras phi) do plano Ag (111). (d) Curva de refletividade de raios-X. (e) imagem HRTEM e o padrão de difração de elétrons (inserção no canto direito), a direção do crescimento é ascendente. Imagens SEM com inserções EBSD de NC (f), Filmes de prata PC (g) e S1 (h) destacando os grãos do filme. As figuras do pólo inverso do EBSD são mostradas acima das imagens SEM, demonstrando densidade de orientação de cristal muito estreita do filme S1 (h) ao longo de todas as direções normais. Apenas um único domínio é observado para o filme S1 em 2 μm (h) em pequena escala. Crédito:Relatórios Científicos, doi:10.1038 / s41598-019-48508-3
A equipe de pesquisa desenvolveu materiais usando SCULL e comparou os resultados de seis filmes representativos, que incluiu três filmes cristalinos simples SCULL de espessura variável (35 nm, 70 nm e 100 nm) e três filmes policristalinos de 100 nm de espessura. Os cientistas usaram difração de raios-X de grande angular (XRD) de alta resolução para visualizar a alta qualidade dos filmes com níveis mínimos de defeito. Então, usando microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM), a equipe de pesquisa demonstrou a natureza monocristalina do filme de prata. Eles usaram difração de elétron retroespalhado (EBSD) para analisar as estruturas de domínio e extrair o tamanho médio de grão dos filmes monocristalinos e policristalinos.
Propriedades ópticas e caracterização de superfícies. Parte real (a) e imaginária (b) da permissividade dielétrica dos filmes monocristalinos (S1, S4, S5). Permissividade dielétrica (c, d) de monocristalino nominal de 100 nm de espessura (S5) e policristalino (PC, NC, PCBG) filmes. Varreduras AFM de S1 (e), Filmes S4 (g) e M1 (h) medidos em uma área de 2,5 × 2,5 μm2, e S1 (f) filme, medido em uma área de 50 × 50 μm2. Todas as superfícies dos filmes são contínuas sem orifícios e não observamos limites de grão para filmes monocristalinos (e – h). O filme S1 é extremamente liso com um nível atômico de rugosidade quadrada média (RMS) igual a 90 pm (e), que é o filme de prata monocristalino relatado mais suave. A rugosidade RMS dos filmes mais espessos S4 e M1 são ligeiramente maiores, mas ainda extremamente suave de 0,43 nm (с) e 0,35 nm (d). Crédito:Relatórios Científicos, doi:10.1038 / s41598-019-48508-3
Rodionov et al. caracterizou as propriedades ópticas e topografia de superfície dos filmes monocristalinos usando microscopia de força atômica. Eles então demonstraram extensivamente a pureza do material e a rugosidade da superfície para indicar um filme de prata muito mais puro no estudo. Os filmes de prata SCULL introduzidos no trabalho terão aplicações potenciais no campo em evolução da plasmônica quântica e filmes monocristalinos atomicamente lisos que requerem baixa absorção óptica e alta condutividade. Rodionov et al. observaram um comprimento de propagação de polariton de plasmon de superfície teoricamente previsto para prata e desempenho excepcional de dispositivos plasmônicos experimentais com os filmes de prata SCULL.
Desta maneira, Ilya A. Rodionov e colegas de trabalho desenvolveram uma abordagem em duas etapas para a evaporação do feixe eletrônico para formar um contínuo atomicamente suave, filmes de metal monocristalino em uma ampla faixa de espessura de 35-100 nm. Os pesquisadores imaginam que o processo SCULL proposto será usado para depositar uma variedade de filmes finos monocristalinos atomicamente lisos usando um fácil, dispositivo de fabricação de cima para baixo no futuro. As propriedades físicas e ópticas exclusivas dos filmes SCULL resultantes podem abrir novas possibilidades em diversos campos da tecnologia.
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