表面等离子体激元技术揭示光敏Ag-As2 S3 薄膜结构中银的光诱导扩散机制

本研究通过表面等离子体激元(SPP)共振技术，系统探究了不同波长光照(405/532/632.8 nm)下银在Ag光栅-As2 S3 薄膜结构中的光致扩散动力学。研究发现短波长(405 nm)光照通过激发电子-空穴对促进Ag2 S团簇形成，显著改变硫系层光学常数；而长波长光照则通过内光电发射主导扩散过程。该成果为开发新型光敏存储器件提供了理论依据。

　　

在光学材料研究领域，硫系玻璃(Chalcogenide glass, ChG)与银的复合体系因其独特的光敏特性备受关注。过去50年间，科学家们发现银在硫系玻璃中的辐射诱导扩散现象可应用于信息存储、全息成像等领域。然而随着器件微型化发展，当ChG层厚度降至纳米尺度时，传统表征方法面临巨大挑战——如何实时监测超薄层(<20 nm)中银的光致扩散过程？这成为制约新型光敏存储器开发的瓶颈问题。

乌克兰国家科学院的研究团队创新性地采用表面等离子体激元(Surface Plasmon-Polariton, SPP)共振技术，以515 nm周期的银衍射光栅为基底，构建"Ag光栅-As₂
S₃
"纳米结构。通过分析He-Ne激光反射中SPP共振的角位移和深度变化，首次实现了对超薄硫系玻璃层光致银扩散过程的动态监测。相关成果发表在《Thin Solid Films》上。

研究采用三项关键技术：1) 干涉光刻制备周期性光栅基底；2) 多角度椭圆偏振法测定As₂
S₃
层光学常数；3) SPP共振角度分辨光谱系统(632.8 nm He-Ne激光源)实时监测光致结构演变。实验样本为8组20×20 mm的Ag/As₂
S₂
Se复合结构。

【Experimental】
通过原子力显微镜(AFM)证实热蒸发制备的As₂
S₃
层具有多孔结构，其折射率(n_f
)和厚度(d_f
)经椭圆偏振法测定分别为2.05±0.02和15±2 nm。银光栅的515 nm周期设计优化了SPP激发效率。

【Results and discussion】
405 nm光照组：对应As₂
S₃
带间跃迁，产生大量电子-空穴对，形成Ag-S键和Ag₂
S团簇，导致折射率增加0.15，消光系数提升3倍，SPP共振角位移达1.2°但深度变化<5%。
632.8 nm光照组：通过带隙内局域态跃迁引发内光电发射，主要增加界面粗糙度，SPP共振深度下降30%而角位移仅0.1°。

【Conclusions】
研究首次定量揭示了不同光激发机制对银扩散路径的影响：短波长光照通过化学键合改变体相性质，长波长光照则主要影响界面形态。该发现为精准调控光敏存储器性能提供了新思路——通过选择激发波长可定向控制Ag扩散模式，这对开发航天用抗辐射存储器具有重要意义。

值得注意的是，研究团队发现SPP共振深度与角位移比值(Δθ/ΔD)在带间激发时比带隙激发高10倍，这一特征参数可作为区分两种扩散机制的敏感指标。乌克兰国家科学院通过项目0125U000799支持了这项基础研究，为未来开发基于波长选择的光敏存储技术奠定了理论基础。