Новая статья в Coatings

В НОЦ Функциональные Микро/Наносистемы созданы эпитаксиальные серебряные пленки, улучшающие свои свойства с течением времени. Уникальными долгожителями стали пленки металлов, осажденные по запатентованной SCULL-технологии НОЦ ФМН. Высокое качество структуры SCULL-пленок останавливает процесс деградации, свойственный серебру. Материал найдет применение в области нанофотоники, оптики, квантовых вычислений и коммуникаций.

Серебро и золото – наиболее востребованные в оптике и плазмонике материалы, спектр использования которых охватывает интегральные плазмонные устройства, элементы вычислительных систем и различные функциональные покрытия. Серебро имеет самые низкие оптические потери в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне длин волн, но при этом имеет большой недостаток: значительное ухудшение свойств с течением времени. Исследование механизмов деградации серебра и поиск решений для ее предотвращения являются важной и актуальной научной задачей.

На протяжении двух лет команда ученых НОЦ ФМН и ИТПЭ РАН исследовала монокристаллические пленки серебра толщиной от 25 до 70 нм, нанесенные на кремниевые подложки. С применением методов спектроскопической эллипсометрии, сканирующей электронной микроскопии сверхвысокого разрешения и стилусной профилометрии были исследованы морфология поверхности, кристаллическая структура и оптические характеристики металла. Характеристики серебряных пленок измерялись в стандартных лабораторных условиях.

Следы деградации пленок проявились спустя 7-19 месяцев после осаждения: на поверхности металлов возникли объемные структуры, разрывы и прочие дефекты. При этом в химическом составе образцов присутствия связей серебра с активными химическими элементами (AgCl, Ag₂S, Ag₂O, Ag₂CO₃) обнаружено не было, что говорит о том, что интенсивность деградации пленок определяется другими факторами. В их числе – уровень шероховатости металлов, количество дефектов на их поверхности, а также наличие внутренних остаточных напряжений, возникших в процессе роста структуры.

Наилучшую стабильность с точки зрения сохранения своих свойств продемонстрировали пленки монокристаллического серебра толщиной 35–50 нм, осажденные по запатентованной SCULL-технологии. Более того, по результатам исследований доказано, что со временем они улучшают свою структуру с одновременным изменением морфологии поверхности.

«SCULL-технология позволяет нам создавать практически структурно идеальные тонкие пленки металлов с шероховатостью поверхности на уровне диаметра атома самого материала – 90-200 пикометров. Такая структура обеспечивает не только уникальные свойства металла, но и его стабильность с течением времени. Нам удалось справиться с одним из недостатков серебра – быстрым «старением», а значит, повернуть время вспять и создать сверхкачественный материал для применения в области нанофотоники, оптики, квантовых вычислений и коммуникаций», – отметил Илья Родионов, директор НОЦ ФМН.

«На основе SCULL-технологии нам уже удалось поставить ряд мировых рекордов, в частности, с ИСАН РАН достичь максимальной теоретически предсказанной длины распространения поверхностного плазмона 200 мкм и совместно с Purdue University создать самый яркий однофотонный источник (скорость излучения – 35 миллионов одиночных фотонов в секунду), работающий при комнатной температуре. Стабильность пленок снимает ограничения по времени работы с ними и позволяет создавать стабильные фотонные устройства на их основе», – отметил Александр Бабурин, руководитель группы нанофотоники НОЦ ФМН.

Результаты проведенной работы дали исследователям возможность предложить механизм изменения характеристик металлических тонких пленок, связанный с распределением внутренних напряжений и склонностью серебряных слоев к несмачиванию поверхности и образованию капель. В рамках предложенного командой НОЦ ФМН и ИТПЭ РАН механизма объясняются характер зависимостей шероховатости и оптических характеристик пленок разных толщин от времени.

***

Данные публикации:

Epitaxial Silver Films Morphology and Optical Properties Evolution over Two Years

Aleksandr S. Baburin, Anton I. Ivanov, Evgeniy S. Lotkov, Olga S. Sorokina, Irina A. Boginskaya, Evgeniy V. Sergeev, Kirill A. Buzaverov, Tatiana G. Konstantinova, Dmitriy O. Moskalev, Zhamila Issabayeva, Ilya A. Ryzhikov and Ilya A. Rodionov

Coatings 10, 911, 2020 (ImF 2.436)

https://www.mdpi.com/2079-6412/10/10/911/htm