Российские физики исчерпывающе изучили золотые пленки

Сверхтонкие металлические пленки толщиной от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров (1 нм равен миллионной части миллиметра) активно применяются в современной технике: в химических и биологических сенсорах, фотодетекторах, солнечных батареях и т.д. Особенной популярностью пользуются пленки золота в силу их способности сопротивляться окислению и стабильности при изменениях температуры.

Чтобы успешно использовать такие пленки при разработке приборов, надо хорошо знать их свойства. Они отличаются от свойств объемного материала и начинают сильно зависеть уже не только от состава, но также от толщины и структуры пленки.

Физики из МФТИ создали пленки при помощи общераспространенной процедуры электронно-лучевого напыления. Химически очищенная кремниевая подложка помещалась в вакуумную камеру вместе с емкостью со сверхчистыми золотыми гранулами. Давление в камере составляло примерно 1 миллионную мм ртутного столба. При помощи пучка электронов золото испарялось и осаждалось на подложку. Таким способом удается получать очень гладкие пленки (в данном исследовании неровность была не больше 1 нм) и точно контролировать их толщину, пропорциональную времени выдержки в камере. Авторы изучали пленки толщиной от 20 до 200 нм — более тонкие пленки получались бы очень неровными или даже вовсе разрывались бы на отдельные «островки», а более толстые не отличались бы от объемного материала.

В ходе исследования измерялись оптические характеристики пленок — действительная и мнимая части комплексной диэлектрической проницаемости пленки и однозначно связанные с ними коэффициенты преломления и поглощения. Эти величины зависят от длины волны света, толщины и структуры пленки. Ученые создавали пленки разной толщины и измеряли величину оптических параметров для разных длин волн.

Толщина пленок и размер составляющих ее очень маленьких кристалликов — кристаллитов — точно измерялись и контролировались при помощи сразу трех методик: рентгеновской дифрактометрии, рентгеновской рефлектометрии и атомно-силовой микроскопии. А оптические параметры измерялись методом эллипсометрии — это стандартная техника, основанная на изменении поляризации света при отражении от поверхности.

Полученные данные оказались в хорошем согласии с результатами численного моделирования, основанного на двух наиболее распространенных теоретических моделях. Таким образом, проведенное исследование, во-первых, предоставляет наиболее полные и подробные справочные данные о свойствах пленок золота и, во-вторых, обосновывает справедливость использующихся моделей. Поэтому его результаты будут востребованы разработчиками содержащих золотые пленки устройств.

Исследование опубликовано в журнале Американского оптического общества Optics Express.

О том, как ученые из Томска с помощью золотых пленок создали уникальный сенсор вредных веществ, читайте в материале «Чердака».

 Евгения Щербина