制备条件对Au-Cu纳米颗粒薄膜微观结构与光学性能的影响机制研究

《Thin Solid Films》：The effect of fabrication conditions on mictrostructure and optical properties of Au-Cu nanogranular thin films

本文系统探讨了物理气相沉积（PVD）法制备金-铜（Au-Cu）纳米颗粒薄膜的工艺参数（如退火温度、沉积顺序）对其微观结构（XRD、AFM表征）和光学性能（椭圆偏振光谱）的调控规律。研究发现共沉积可在室温直接形成合金，而退火处理可促进双层膜原子互扩散，为贵金属合金在表面增强拉曼散射（SERS）和催化领域的应用提供材料基础。

　　

材料与方法

采用热蒸发法在抛光硅片（Si(100)）上沉积40纳米厚的Au-Cu薄膜。将金（99.99%）和铜（99.99%）线材置于钨螺旋蒸发器中，制备三种构型：Si/Au/Cu、Si/Cu/Au（双层膜）及Si/Au-Cu（共沉积），设定原子比Au:Cu=1:1。通过计算确定金层厚度（d_Au=23.6 nm）和铜层厚度（d_Cu=16.4 nm）。

样品形貌分析

通过原子力显微镜（AFM）观察Si/Au、Si/Cu、Si/Au/Cu、Si/Cu/Au及Si/Au-Cu薄膜在退火前后的表面形貌（图1-2）。粗糙度参数R_a和R_q汇总于表2。所有Au-Cu双层膜均呈现纳米颗粒结构，多数样品粗糙度低于1纳米。

XRD图谱解析

对所有薄膜进行X射线衍射（XRD）测试，归一化衍射图谱如图3所示。Si/Au/Cu与Si/Cu/Au双层膜的衍射峰分别对应金和铜的晶相，而共沉积样品在退火后出现合金特征峰，表明固溶体形成。

讨论环节

AFM图像显示薄膜具有纳米颗粒结构（图1-2），退火后颗粒发生再结晶并形成更大团聚体（图1c-d, 图2d-f）。铜膜退火后粗糙度变化显著（表2），而金膜稳定性较高。XRD结果证实退火促进Au/Cu界面互扩散，共沉积样品可直接形成无序固溶体（A1相）。XPS分析表明表层富铜现象与氧化相关，椭圆偏振光谱显示合金化对介电函数产生协同调控。

研究结论

在硅基底上成功制备了Au-Cu纳米颗粒薄膜体系，退火处理可加速原子混合。AFM、XRD、XPS和光谱椭圆偏振技术（SE）联合分析表明：共沉积法可直接在室温形成合金，退火后双层膜实现原子级互扩散。纳米颗粒结构与光学性能的关联为贵金属合金在传感和催化应用提供了设计依据。