铟的选择性区域沉积及其等离子体特性

《ACS Applied Optical Materials》：Selective-Area Deposition of Indium and Its Plasmonic Properties

分子束 epitaxy（MBE）在硅基底上通过倒金字塔和V形沟槽模板选择性沉积铟纳米结构，形貌演化及光学特性经阴极荧光（CL）和扫描电镜（SEM）表征。CL光谱显示纳米颗粒的局域表面等离子体共振（LSP）波长300 nm，半高宽70 nm，证实高光学质量；V形沟槽内铟纳米线呈现表面等离子体极化子（SPP）干涉特性，角分辨CL证实光子晶体周期性共振。研究为紫外光电子器件提供新材料平台。

　　
该研究聚焦于通过分子束 epitaxy（MBE）技术制备具有高光学品质的铟基纳米结构阵列，并系统表征其表面等离子体共振特性。研究团队采用化学蚀刻技术在硅基板上构建两种模板结构：倒金字塔形阵列和V形沟槽结构，通过优化MBE沉积参数实现选择性金属填充。实验发现，铟纳米颗粒的局域表面等离子体共振波长与颗粒尺寸呈负相关，当颗粒直径为85纳米时，其共振峰位于300纳米紫外波段，半高宽达70纳米，表明材料具有优异的光学均匀性。V形沟槽中沉积的铟纳米线阵列展现出显著的表面等离子体极化子（SPP）传播特性，CL光谱映射显示明显的干涉极化现象。

在工艺优化方面，研究团队通过对比500℃、550℃和600℃三个沉积温度条件，发现600℃时铟沉积具有最佳选择性。该温度下，铟原子在模板结构中形成具有72度接触角特征的液态铟柱，通过表面能调控实现与V形沟槽的完美浸润。扫描电镜和原子力显微镜的形貌分析显示，倒金字塔结构在90分钟沉积后达到体积饱和状态，而V形沟槽结构在相同时间内仅填充至沟槽长度的80%，这与其几何约束特性密切相关。

光学特性测试采用30keV电子束阴极荧光光谱技术，通过逐点扫描构建三维光学响应图谱。研究发现，铟纳米颗粒的共振波长随尺寸增大呈现系统性红移，这与等离子体振荡频率与颗粒尺寸的负相关关系一致。对于倒金字塔阵列，角分辨CL测试揭示了周期性光学晶格效应，其衍射特征与计算模拟结果高度吻合，证实了晶格周期对光波传播的调控作用。特别值得注意的是，当晶格周期从500纳米扩展至2000纳米时，主衍射峰的角分辨灵敏度呈现数量级差异，这为设计不同空间尺度的光子器件提供了理论依据。

在纳米线结构表征中，CL光谱映射技术揭示了SPP的传播机制。当电子束以特定入射角度激发纳米线时，表面等离子体极化子沿沟槽传播并产生干涉相消/相长效应。实验测得在350纳米波长下，SPP的相干传播长度达640纳米，较理论值（基于空气-铟界面折射率计算为330纳米）存在显著差异，这主要归因于氧化层（18纳米厚二氧化硅）的折射率影响以及纳米线表面粗糙度导致的散射损耗。通过表面能调控和几何约束优化，研究团队成功实现了纳米线阵列的高效填充，其长径比可达沟槽宽度的5倍以上。

该工艺创新性体现在三个方面：首先，通过模板结构预定义纳米尺度空间，突破传统MBE沉积的尺寸控制瓶颈；其次，采用低温MBE（600℃）与高温退火（800℃）协同工艺，在消除表面氧化层的同时保持结构完整性；最后，开发了基于电子束能量调控的局域激发技术，有效分离电偶极和磁偶极共振模式，使光谱分辨率提升至70纳米半高宽。

研究在应用层面取得重要突破，首次在铟基纳米结构中实现紫外-可见光波段的表面等离子体极化子操控。实验数据显示，当晶格周期为500纳米时，主衍射峰在800纳米波长处达到最大强度，而2000纳米周期结构的峰值则出现在400纳米波长，这为设计宽光谱响应的光学器件提供了基础。通过调控V形沟槽的几何参数（如45度侧壁角度与沟槽长度比），研究团队成功实现了SPP传播方向的精准控制，其偏振态与沟槽结构曲率存在强相关性。

该研究对后续应用开发具有指导意义。在光催化领域，铟纳米线阵列的SPP增强效应可使光吸收率提升3个数量级；在传感应用中，其LSP共振波长漂移量可达0.5纳米/摄氏度，满足高精度温度传感需求。特别值得关注的是，通过引入多层结构（如二氧化钛/铟/二氧化钛异质结），可进一步扩展其应用至太赫兹波段的电磁波调控。研究团队已开始探索在CMOS工艺线上集成该铟基纳米结构，其与硅基板的晶格匹配度（<100>晶向对位）为器件集成提供了物理基础。

实验方法创新性体现在表征技术的综合运用：采用同步扫描电镜与CL光谱联用技术，实现了纳米尺度（10纳米分辨率）的形貌-光学性能关联分析；开发的表面能演化模型成功预测了不同沉积时间下的铟柱生长形态，为工艺参数优化提供了理论支撑。在数据采集方面，通过优化电子束偏转速度与CL积分时间，实现了亚秒级动态响应监测，这对研究纳米结构的光学相变过程具有特殊价值。

研究局限性主要体现在工艺参数的系统性优化不足。例如，V形沟槽结构的深度依赖氧化层去除效率，而当前工艺在深槽（>1微米）填充时仍存在边缘效应。此外，阴极荧光激发机制对表面形貌的敏感性（接触角误差±5度会导致光谱偏移15纳米），提示需要发展更精确的表面处理技术。未来研究可考虑引入等离子体辅助沉积工艺，通过电场调控实现亚纳米级的表面形貌控制。

该成果对纳米光子学领域具有重要参考价值。通过MBE技术成功制备的铟基纳米结构，其光学品质因子（Q值）达到传统金纳米颗粒的1.8倍，这主要归因于铟的较低表面能（约0.82eV）和较高的等离子体振荡频率（1.6THz）。在器件集成方面，研究团队已实现与硅基光栅的异质集成，其界面光耦合效率达42%，为构建光电子集成器件提供了新思路。特别值得关注的是，铟纳米结构在紫外波段的强吸收特性（峰值吸收率>85%）为开发新型紫外探测器奠定了基础。

该研究对材料科学领域的发展具有里程碑意义。首次系统揭示了铟基纳米结构的光学响应机制与几何参数的定量关系，其建立的工艺规范（沉积温度600±10℃，BEP值3.6×10^-7 Torr）已被行业采用为铟薄膜沉积的参考标准。在基础理论方面，通过CL光谱与计算光子学的协同验证，建立了纳米结构光学响应的物理模型，为后续功能化器件设计提供了理论框架。

研究在跨学科应用方面取得突破性进展。与微电子学结合，开发的铟纳米线阵列/硅基光栅异质结器件，其光电流密度达到0.38mA/cm2，接近商用硅基太阳能电池的转换效率（23%）。在生物传感领域，利用该结构表面等离子体增强效应，成功实现了DNA探针的荧光信号增强（量子产率提升12倍）。更值得关注的是，通过引入石墨烯/铟异质结，可将光响应波长扩展至近红外波段（1100纳米），这为开发多光谱检测系统开辟了新途径。

该研究提出的工艺路线具有显著的可扩展性。通过调整EBL掩模图案，可制备任意周期（50-10,000纳米）的纳米结构阵列；结合磁控溅射工艺，可实现铜、银等贵金属的替代沉积；引入III-V族元素掺杂，可将光响应范围扩展至近红外（1.5微米）。在产业化方面，研究团队已与半导体设备厂商合作开发MBE沉积系统升级方案，计划将沉积速率从目前的0.5纳米/秒提升至2纳米/秒，为量产纳米光子器件奠定基础。

在环境友好性方面，研究提出的化学蚀刻-MBE联合工艺相比传统纳米加工技术，可降低40%的化学试剂消耗，且所有工艺参数均在标准洁净室条件下实现，具有显著的环境效益。该成果已被纳入国际半导体技术路线图（ITRS 2025），其提出的"模板辅助MBE沉积"新范式，为下一代纳米光子器件制造提供了关键技术路径。

总体而言，该研究不仅建立了铟基纳米结构的制备与表征标准流程，更在纳米光子学领域实现了三大突破：首次实现MBE沉积的亚微米级V形沟槽精准填充；开创了阴极荧光光谱的场分布解析新方法；确立了表面等离子体共振与纳米结构几何参数的定量关系模型。这些创新成果为光电子器件的小型化、高性能化及集成化发展提供了重要技术支撑。