Сегодня "золотые технологии" находят применение в самых разных сферах — от медицины до ракетостроения. Наночастицы золота и тончайшие золотые плёнки используются для создания лекарственных препаратов и солнечных батарей, наночернил для электронных устройств и плазмонных нанолазеров, которые охотятся за раковыми клетками, фотодетекторов, элементов оптических компьютеров, химических и биологических сенсоров.
Поскольку тонкие плёнки золота — один из основных элементов микро- и наноразмерных оптических и оптоэлектронных устройств, для оптимизации работы очень важно понять их оптические свойства. В связи с этим исследователи из МФТИ выполнили точные измерения диэлектрических (оптических) констант сверхтонких плёнок золота толщиной от 20 до 200 нанометров (напомним, один нанометр — это миллиардная часть метра) в оптическом диапазоне длин волн.
Ещё более тонкие металлические плёнки — толщиной менее 10 нанометров — могут быть не только проводящими, но вдобавок прозрачными и гибкими элементами многих приборов, отмечают специалисты.
В большинстве случаев исследователи используют табличные данные из работ, опубликованных почти полвека назад. Например, одной из самых популярных статей по оптическим константам золота до сих пор является работа П. Джонсона и Р. Кристи под названием "Оптические константы благородных металлов" (Optical constants of the noble metals), опубликованная в 1972 году. Справочные константы из неё использовались в исследованиях, представленных по меньшей мере в десяти тысячах научных публикаций.
Работы тех лет по оптическим свойствам тонких металлических плёнок можно считать подвигом, так как трудоёмкие экспериментальные исследования, требующие к тому же сложных расчётов, фактически проводились в докомпьютерную эпоху.
Теперь же современные приборы и практически безграничные возможности вычислительной техники позволяют проводить более детальные исследования тонких металлических плёнок. При этом известно, что оптические свойства таких плёнок, а следовательно, и эффективность работы устройств, в которых они используются, зависят от многих факторов — толщины плёнки, скорости осаждения и температуры подложки, на которую осаждается плёнка.
Учёные подобрали оптимальные начальные условия (скорость осаждения и температуру подложки) для получения наилучших оптических свойств. Далее при помощи спектральной эллипсометрии, рентгеновской дифрактометрии, электронной и атомно-силовой микроскопии были проведены необходимые измерения. Полученные результаты позволили детально изучить, как свойства тонких плёнок золота связаны с их структурой и средним размером зёрен.
Структура оказывает большое влияние на физические свойства, поскольку электроны проводимости рассеиваются на границах зёрен, подобно тому, как шарик в пинболе теряет свою энергию на различных препятствиях. Оказалось, что оптические потери, а также удельное сопротивление постоянного тока в случае золота значительно увеличиваются при толщине плёнки менее 80 нанометров.
Авторы работы представили справочные данные по оптическим константам золота для широкого диапазона длин волн — от 300 до 2000 нанометров — для тонких плёнок толщиной от 20 до 200 нанометров, когда плёнки можно считать объёмными. Эти результаты пригодятся для будущих исследований: при разработке и оптимизации различных нанофотонных устройств и метаматериалов.
Чтобы создать такие плёнки, учёные использовали метод электронно-лучевого испарения. Подложку из очищенного кремния кладут в вакуумную систему. Напротив неё помещают ёмкость, в которой находятся куски металла, в нашем случае золота. На куски металла направляется пучок электронов, ускоренный электрическим полем. Он быстро разогревает золото до жидкого состояния. Частицы золотых испарений летят в сторону подложки, оседают на ней и становятся твёрдыми.
"Если поддерживать высокий вакуум, правильно прогревать металл и соблюдать все необходимые режимы, такой метод будет давать плёнки любой нужной толщины (в зависимости от времени испарения), а сами плёнки будут практически идеально гладкими — с шероховатостью меньше нанометра, — рассказал заведующий лабораторией нанооптики и плазмоники Валентин Волков. — Мы продемонстрировали, что в России существуют технологии получения высококачественных тонких металлических плёнок с рекордными оптическими свойствами, которые могут использоваться в оптике и оптоэлектронике".
К слову, подобные золотые плёнки толщиной около 40 нанометров уже используются для создания высокочувствительных биосенсоров.
Работа российских исследователей опубликована в журнале Optics Express.
Напомним, что ранее была создана новая форма настоящего золота, лёгкая как воздух.
