磁控溅射沉积条件调控优化等离子体多层膜结构的光学性能研究

本研究通过调控DC磁控溅射的沉积压力、基底材料与温度等参数，系统探究了银纳米颗粒的生长机制及其在等离子体器件中的应用。结合XPS、XRD、TEM/EDS表征与FDTD模拟，揭示了沉积条件对纳米颗粒形貌及光学特性的调控规律，为大规模等离子体系统的优化提供了实验与理论工具。

　　

在当今纳米光子学领域，银因其优异的等离子体品质因子成为可见光波段低损耗应用的理想材料。然而，传统光刻或聚焦离子束(FIB)等技术虽能精确调控纳米结构，却难以实现大面积制备；而磁控溅射虽具备规模化生产优势，但随机分布的纳米颗粒会导致复杂的光学响应机制。这种矛盾促使比利时那慕尔大学的研究团队在《Vacuum》发表了一项突破性研究，通过多尺度表征与模拟手段，建立了等离子体多层膜结构的可控生长范式。

研究团队采用DC磁控溅射技术，在SiO₂/玻璃基底上沉积银纳米颗粒层，并通过Si₃N₄封装构建三明治结构。利用X射线光电子能谱(XPS)分析化学组成，X射线衍射(XRD)检测晶体结构，透射电子显微镜(TEM)结合能谱(EDS)观测形貌分布，并开发定制化时域有限差分法(FDTD)代码模拟光学响应。

【Sample description】
研究设计了以180 mTorr高压沉积银纳米颗粒为核心的三层结构，通过调节SiO₂基底与Si₃N₄封装层的组合，证实多层堆叠可增强光吸收效应。

【Impact of deposition pressure on nanoparticle formation】
对比60 mTorr与180 mTorr沉积样品发现，高压条件使吸收峰蓝移58 nm至503 nm，XPS深度剖析显示高压沉积能形成更均匀的纳米颗粒分布。

【Conclusion】
研究表明工作压力显著影响纳米颗粒的尺寸分布与局域表面等离子体共振(LSPR)特性，基底温度调控颗粒结晶度，而Si₃N₄封装层可稳定光学性能。该研究为工业化生产大面积等离子体器件提供了工艺窗口选择依据。

这项工作的创新性在于将实验观测与数值模拟深度结合，Louis Rassinfosse等研究者开发的FDTD模型成功复现了非周期性纳米结构的复杂光学行为。通过揭示磁控溅射参数与光学响应的构效关系，不仅避免了传统试错法的资源浪费，更为设计高性能SERS基底、光学波导等器件建立了普适性方法框架。研究获得比利时FRIA基金支持，其计算资源由那慕尔大学高强度计算平台(PTCI)提供，凸显了跨学科合作在纳米光子学研究中的重要性。