エピタキシャル無電解蒸着によって製造された高性能の単結晶金ボウタイ ナノアンテナ

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12745 (2023) この記事を引用

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材料の品質は、ナノメートルスケールのプラズモニック構造の性能において重要な役割を果たし、大規模なデバイス集積にとって大きなハードルとなります。 スケーラブルで高品質、超平滑な金属堆積戦略を実現するという課題と、多結晶金属構造を生み出すほとんどの金属堆積アプローチの特徴であるパターン転写とデバイス製造の歩留まりの悪さによって進歩が妨げられてきました。 ここでは、超平滑な単結晶 (100) 金を堆積し、サブトラクティブ ナノパターニングによって一連のボウタイ ナノアンテナを製造する、新規でスケーラブルな電気化学的方法を紹介します。 私たちは、パターン転写とデバイスの歩留まり、偏波応答、ギャップフィールドの大きさ、アンテナの局所的な正確なモデル化能力など、これらの単結晶ナノアンテナのあまり研究されていない設計と性能特性のいくつかを、多結晶の対応物と比較して調査します。現場の反応。 私たちの結果は、単結晶ナノスケールプラズモン材料の性能上の利点を強調し、プラズモンベースのデバイスの大規模製造へのその使用についての洞察を提供します。 私たちは、このアプローチが、光センサー、光触媒構造、ホットキャリアベースのデバイス、ナノ原子物理学をターゲットとしたナノ構造貴金属アーキテクチャの製造など、局所近接場が光と物質の相互作用を強化できるアプリケーションで広く役立つと期待しています。

表面プラズモンポラリトン (SPP) を介して平面金属/誘電体界面に拡張された電磁波を結合するか、局所共鳴表面プラズモン (LRSP) を介してナノメートルスケールの金属構造に結合すると、エネルギーハーベスティングへの応用に利用できる限定および増幅された局所場が生成されます。 、センシング、分光法、触媒作用、およびイメージング。 これらのプラズモニック励起の運命は、それらが形成される材料の特性と密接に関係しています1、2、3、4、5、6。 SPP の伝播長、SP の位相ずれ、減衰、デカップリングは、材料の結晶化度や、材料の欠陥、粒界、その他の材料の欠陥によって引き起こされる散乱プロセスによって強く影響されます。 単結晶プラズモニック構造は、明確に定義されたファセットナノ構造に由来する強化された局所場を提供しながら、光吸収損失、粒界散乱および散逸の低減を通じて多結晶類似体に比べて利点をもたらすことが期待されている。 これらの性能上の利点に加えて、単結晶プラズモニクスとナノフォトニクスは、処理方法、生産規模、デバイスの歩留まり、および新しいアプリケーションの改善につながる、予測可能で再現可能な材料特性から恩恵を受けることになります。これらはすべて自己強化的であり、世界の拡大に役立ちます。ナノフォトニクスデバイスアプリケーションの範囲と幅広さ。

単結晶材料は他の用途で大きな性能上の利点を示しています 7、8、9 が、単結晶プラズモニクスは依然として課題です。 金などのプラズモニック金属の従来の堆積は、通常、物理蒸着（PVD）技術を通じて実行され、一般に多結晶金属膜およびナノ構造を形成します。 これらの膜の多結晶特性を緩和するための堆積戦略やその他のプロトコルが開発されていますが 10、多結晶金属の堆積は製造歩留まりの低下、デバイスの非効率をもたらす損失や散逸を引き起こす可能性があり 11,12、この分野では依然として大きな課題となっています。 。 我々は最近、一般的な金塩の高アルカリ溶液から Ag(100)/Si(100) 基板上への無電解堆積を介して超平滑な単結晶 Au(100) 膜を実現する代替アプローチを開発しました 13 (補足情報 1)。 この方法はウェーハレベルまで拡張可能で環境に優しく、貴金属ベースのプラズモニック構造をCMOS互換デバイスアーキテクチャに統合するための有望な新しいアプローチを表します14、15。 電解質の高アルカリ性環境により、金前駆体 AuCl ￣4 (E° = 1.00 V) の配位子置換が促進され、Au(OH) ￣4 (E° = 0.57 V) が形成され、銀基板のガルバニック置換 (E° = 0.57 V) が回避されます。 = 0.80 V)、そうでなければ、より低い pH で支配的になります。 さらに、水酸化物イオン (4OH￣ → O2 + 2H2O + 4e￣ (E° = − 0.40 V))、基板表面での金属錯体の還元速度を制限し、大面積で均一なエピタキシャル貴金属の堆積を可能にします (補足情報 2)。 ここでは、このアプローチを使用してボウタイ ナノアンテナ デバイスを製造し、単結晶と多結晶のボウタイ構造の性能特性を直接比較します。