来源：MIPT

MIPT的研究人员在电磁谱的光学部分中，对超薄金膜的光学常数进行了超高精度测量。该薄膜厚度为200至2000亿分之一米。薄金膜是现代微纳米级光电子器件的重要组成部分，此研究结果将服务于该领域的科研人员。该论文发表在“光学快报（Optics Express）”杂志上。

厚度为几十纳米或几百亿分之一米的金属膜被广泛用于生产紧凑的化学和生物传感器、光电探测器、太阳能电池和光学计算机的组件。当纳米薄膜厚度小于10纳米时，它们不仅仅是导电的，而且也是具有柔性和透明的，可以适用于各种现代器件。

目前普遍认为金是最适合于纳米器件开发的材料，这种应用要求金以极薄的薄膜或纳米结构的形式存在。为了开发和优化器件，需要对此类薄膜的性能进行精确的数据处理。但目前大多数研究人员所使用的数据都是在半个世纪前发表的论文中报道的。例如，一个最频繁被引用的文章是P.B. Johnson 和R.W. Christy发表于1972年的“贵金属的光学常数”。Scopus引用数据库显示，本文中黄金的参考常数已被用于至少10,000个其他出版物。要了解这项工作的意义，重要的是要记住，在70年代，研究薄金属薄膜的光学性能需要巨大的努力，因为挑战性的实验必须遵循复杂的计算，而那时计算机还没有普及。

减小薄膜厚度，提高产品性能

最先进的实验室设备和现代研究人员提供的几乎无限的计算能力使金属薄膜的研究更为详细。然而，众所周知，薄膜的光学性质，以及由该薄膜组成器件的效率取决于薄膜厚度、沉积速率以及薄膜沉积所用衬底的温度等因素。因此，研究人员调整了MIPT的初始条件，包括沉积速率和沉积温度，从而优化薄膜的光学性质。随后，他们用椭偏仪、X射线衍射仪、电子显微镜和原子力显微镜等仪器进行了必要的测量。MIPT团队根据这些测试结果，研究了金薄膜的性能与其结构、平均颗粒大小的关系。

材料的结构在很大程度上影响其物理性能，这是由于在晶格界面处，传导电子被散射后失去能量。该现象与弹球机内的球体因受障碍物的束缚失去动量类似。事实证明，随着金膜厚度降低到80纳米以下，光学损耗和直流电阻率都会大幅度增加。本文作者提供了波长在300纳米～2000纳米范围内金光学常数的参考数据，这些薄膜的厚度为20纳米~200纳米。科学家会根据这些数据开展各种纳米光子器件和材料的研究。

研究现状

为了生长薄膜，研究人员使用了一种称为电子束蒸发的技术。它包括以下几个步骤：在真空室内放入纯硅衬底。与衬底相对的位置，定位金属样品。由电子加速场激发后的电子束轰击金属材料（金），使其快速加热、熔化并蒸发。然后将蒸发的金原子从样品池运送到低压区域，并在基板上冷凝以形成薄膜。

南丹麦大学教授、MIPT的纳米光学和等离子体检测实验室的负责人Valentyn Volkov提到，“如果保持高真空度、适当加热金属或者按程序进行，这种技术可以生长任意厚度的薄膜，主要取决于蒸发时间。此外，薄膜表面几乎是完全光滑的，粗糙度小于1纳米。”“这类薄膜可用于光学和光电子学，开发高灵敏度紧凑型生物传感器、太阳能电池、宽带光电探测器和光电计算机组件等。”

生物传感器领域已经使用了这类金薄膜，厚度约40纳米。

来源： https://phys.org/news/2017-10-scientists-revisit-optical-constants-ultrathin.html

本文受译者委托，享有该文的专有出版权，其他出版单位或网站如需转载，请与本站联系，联系email：mail@opticsjournal.net。否则，本站将保留进一步采取法律手段的权利。