Высокопроизводительные монокристаллические золотые наноантенны в форме галстука-бабочки, изготовленные методом эпитаксиального химического осаждения.

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 12745 (2023) Цитировать эту статью

897 Доступов

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Качество материала играет решающую роль в работе плазмонных структур нанометрового масштаба и представляет собой серьезное препятствие для крупномасштабной интеграции устройств. Прогрессу препятствуют проблемы реализации масштабируемых, высококачественных и сверхгладких стратегий осаждения металлов, а также плохая передача рисунка и производительность изготовления устройств, характерная для большинства подходов к осаждению металлов, которые дают поликристаллическую структуру металла. Здесь мы освещаем новый и масштабируемый электрохимический метод нанесения сверхгладкого монокристаллического золота (100) и изготовления серии наноантенн в виде галстука-бабочки посредством субтрактивного наноструктурирования. Мы исследуем некоторые из менее изученных характеристик конструкции и производительности этих монокристаллических наноантенн по сравнению с их поликристаллическими аналогами, включая передачу диаграммы направленности и выход устройства, поляризационный отклик, величину поля зазора и способность точно моделировать локальную антенну. ответ поля. Наши результаты подчеркивают преимущества производительности монокристаллических наноразмерных плазмонных материалов и дают представление об их использовании для крупномасштабного производства устройств на основе плазмонов. Мы ожидаем, что этот подход будет широко полезен в приложениях, где локальное ближнее поле может усилить взаимодействие света и материи, в том числе для изготовления оптических датчиков, фотокаталитических структур, устройств на основе горячих носителей и наноструктурированных архитектур из благородных металлов, нацеленных на наноаттофизику.

Связь протяженных электромагнитных волн с плоскими границами раздела металл/диэлектрик через поверхностные плазмон-поляритоны (SPP) или с металлическими структурами нанометрового масштаба через локально резонансные поверхностные плазмоны (LRSP) приводит к ограничению и усилению локальных полей, которые можно использовать для применения в сборе энергии. , зондирование, спектроскопия, катализ и визуализация. Судьба этих плазмонных возбуждений тесно связана с характеристиками материалов, из которых они образуются1,2,3,4,5,6. На длину распространения ППП, дефазировку, затухание и развязку ППП сильно влияют кристалличность материала и процессы рассеяния, которые вызваны дефектами материала, границами зерен и другими несовершенствами материала. Ожидается, что монокристаллические плазмонные структуры будут иметь преимущества перед своими поликристаллическими аналогами за счет снижения оптических потерь на поглощение, зернограничного рассеяния и диссипации, обеспечивая при этом улучшенные локальные поля, возникающие из четко определенных граненых наноструктур. В дополнение к этим преимуществам в производительности, монокристаллическая плазмоника и нанофотоника выиграют от предсказуемых и воспроизводимых свойств материалов, что приведет к улучшению методов обработки, масштабам производства, производительности устройств и новым приложениям, все из которых самоусиливаются и помогут расширить возможности применения. объем и широта применения нанофотонных устройств.

В то время как монокристаллические материалы показали значительные преимущества в производительности в других приложениях7,8,9, монокристаллическая плазмоника остается проблемой. Обычное осаждение плазмонных металлов, таких как золото, обычно осуществляется с помощью методов физического осаждения из паровой фазы (PVD) и обычно образует поликристаллические металлические пленки и наноструктуры. Несмотря на то, что стратегии осаждения и другие протоколы для смягчения поликристаллического характера этих пленок были разработаны10, осаждение поликристаллических металлов может привести к снижению производительности производства, а также к потерям и рассеянию, которые приводят к неэффективности устройств11,12, и остается серьезной проблемой в этой области. . Недавно мы разработали альтернативный подход для получения сверхгладких монокристаллических пленок Au(100) путем химического осаждения из сильнощелочных растворов обычных солей золота на подложки Ag(100)/Si(100)13 (дополнительная информация 1). Этот метод масштабируем до уровня пластин, экологически безопасен и представляет собой новый многообещающий подход к интеграции плазмонных структур на основе благородных металлов в КМОП-совместимые архитектуры устройств14,15. Высокая щелочность электролита приводит к замене лиганда в предшественнике золота AuCl 4 (E° = 1,00 В) с образованием Au(OH) 4 (E° = 0,57 В), обходя гальваническую замену серебряной подложки (E° = 0,80 В), которое в противном случае доминировало бы при более низких значениях pH. Далее, снижение скорости поступления электронов на подложку (т.е. скорости окисления восстановителя) за счет использования маловероятного восстановителя, такого как гидроксид-ион (4OH¯ → O2 + 2H2O + 4e¯ (E° = − 0,40 V)), ограничивает скорость восстановления металлокомплексов на поверхности подложки, обеспечивая равномерное эпитаксиальное осаждение благородных металлов на большой площади (дополнительная информация 2). Здесь мы используем этот подход для изготовления устройств наноантенны типа «галстук-бабочка», чтобы обеспечить прямое сравнение рабочих характеристик монокристаллических и поликристаллических структур типа «галстук-бабочка».