金纳米薄膜在太赫兹（THz）至紫外（UV）波段的光谱特性对其合成温度的依赖性

《Surfaces and Interfaces》：Dependence of spectral characteristics of gold nanofilms in the THz-UV range on the synthesis temperature

薄金膜基底温度对宽谱段光学特性的调控研究，发现可见光区透射随温度升高因纳米晶表面等离子体激元增强而降低，红外区透射因晶界间带Drude吸收减少而升高，太赫兹区透射在200℃以上显著增加，反射率随温度降低至300℃以下增长。研究验证了宽频带光学器件设计的温度调控可行性。

　　

A.S. 费奥多罗夫 | I.A. 雅科夫列夫 | N.P. 谢斯塔科夫 | I.V. 内姆采夫 | M.S. 莫洛科耶夫 | A.V. 卢基扬enko | A.S. 特普林斯卡娅 | A.S. 亚历山德罗夫斯基

基伦斯基物理研究所，俄罗斯科学院西伯利亚分院克拉斯诺亚尔斯克联邦研究中心，660036，俄罗斯

摘要

薄膜金的光学/太赫兹（THz）特性受沉积过程中基底温度的控制。在可见光范围内，由于高合成温度下金纳米颗粒中激发的表面等离子体对光能的吸收和散射，沉积在较高温度下的薄膜的透射光谱表现出透射率降低。

在红外范围内，情况则相反。随着薄膜合成温度的升高，由于纳米颗粒之间存在界面导致的内带德鲁德（Drude）吸收减少，透射率稳步增加。

在太赫兹范围内，当薄膜合成温度超过200°C时，透射率显著增加；而当合成温度低于300°C时，反射率则急剧上升。

太赫兹辐射中的干涉条纹有助于建立熔融石英的塞尔梅尔型（Sellmeier）方程。总体而言，该研究详细追踪了在沉积过程中基底温度变化对金薄膜光学特性的影响。我们展示了对于某种薄膜/基底组合，在从紫外到太赫兹的宽光谱范围内光学特性的可控程度，这是光学系统和仪器的重要组成部分。

引言

目前，等离子体纳米材料的基础研究和开发受到了高度重视。沉积在介电基底上的金属薄膜（最近成为研究的焦点[1]、[2]、[3]）是众多光学元件的常用组成部分，包括导电且光学透明的电极[4]、[5]、[6]、SERS活性基底[7]等。其独特的特性使其在生物传感器技术[8]、[9]、高分辨率光学成像显微镜[10]、等离子体波导和电路[11]、[12]、太阳能电池和发光二极管[13]、平板显示器和触摸屏[14]、热太赫兹和红外探测器[15]以及其他集成纳米光子和光电器件[16]中具有广泛的应用前景。

沉积在各种基底上的薄膜的特性取决于许多因素，包括待沉积液体材料对基底表面的润湿性[17]、[18]以及基底的温度，这两个因素彼此相互关联。通过选择特定的种子层（如Ti和Cr[19]、CuO[20]）可以改变润湿性。关于基底温度，金属薄膜沉积的常见方法是使基底处于室温（或由于沉积原子的热传递而略微升高[21]）。基底处于室温下可以加快沉积原子的固定，并防止强烈的自组织效应，尽管沉积薄膜中通常会存在某些结构特征，例如晶粒的存在及其优先取向。通常情况下，即使在室温下也会形成多晶金属薄膜，并具有特征性的晶粒尺寸。然而，在较高温度下，金属薄膜的形态可能会发生变化，其特性（特别是在可见光、红外和太赫兹范围内的光学特性）也可以得到控制。这类薄膜常被称为渗透薄膜[22]或不连续薄膜[23]，在直流电导率上会经历金属到绝缘体的转变。结构化超表面的光学特性预计取决于结构特征尺寸与电磁辐射波长之间的关系。所考虑的结构的特点是其特征尺寸远小于可见光和太赫兹范围内的波长。尽管如此，预计在整个宽波长范围内光学特性仍会存在差异。

在以往的研究中，没有详细追踪在沉积过程中基底温度变化对沉积在熔融石英或其他基底上的金薄膜光学特性的影响。这样的系统性研究将非常有趣，因为它将展示对于某种薄膜/基底组合，在从紫外到太赫兹的宽光谱范围内光学特性的可控程度，这是光学系统和仪器的重要组成部分。在本研究中，我们探讨了由于润湿性不完全或有限以及基底温度升高导致的外延生长偏差引起的薄膜形态变化对光学特性的控制作用。我们研究的重点是可见光和太赫兹范围内特性之间的相关性。

实验

金薄膜是通过热蒸发法从克努森（Knudsen）蒸发池中以0.033 ?/s的沉积速率在超高真空（基础压力为4.7 × 10^-7 Pa）下制备的。作为基底使用了厚度为350 μm的抛光熔融石英晶圆。实验前，基底在含有3:2:1比例的NH3·H2O溶液（在空气中）中处理，并在650°C的真空室中加热两小时。沉积前，基底被冷却到指定温度。

形态

如图1和图2所示，沉积在室温基底上的薄膜具有相当均匀的结构。薄膜是在10^-7 Pa的环境气氛中以0.033 ?/s的沉积速率沉积的。预期的薄膜厚度为25 nm。扫描电子显微镜（SEM）验证了预期厚度的准确性，并显示薄膜由20–30 nm的晶粒组成（尽管晶粒尺寸通常被认为不超过薄膜厚度或更小）。X射线衍射（XRD）显示薄膜的主要晶面为（111）晶面。

结论

沉积在加热到不同温度的熔融石英基底上的薄膜在从可见光到太赫兹的宽频率范围内表现出透射率和反射率的变化。沉积在室温下的薄膜具有准块状形态，其透射光谱可以通过块状金的光学常数的光谱依赖性来描述。这些薄膜的最大透射率出现在500 nm附近。

CRediT作者贡献声明

A.S. 费奥多罗夫：概念构思。 I.A. 雅科夫列夫：资源提供、研究、数据管理。 N.P. 谢斯塔科夫：资源提供、研究、数据管理。 I.V. 内姆采夫：方法学研究、数据管理。 M.S. 莫洛科耶夫：方法学研究、数据管理。 A.V. 卢基扬enko：资源提供、研究、数据管理。 A.S. 特普林斯卡娅：撰写、审稿与编辑、方法学分析、数据管理。 A.S. 亚历山德罗夫斯基：撰写、审稿与编辑、初稿撰写。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了俄罗斯科学基金会（协议编号：23-12-20007）以及克拉斯诺亚尔斯克地区政府和克拉斯诺亚尔斯克地区科学研发活动支持基金会的支持（协议编号：256）。金纳米薄膜的合成（第二部分：实验）是在俄罗斯克拉斯诺亚尔斯克基伦斯基物理研究所的国家任务框架内完成的。研究中使用了克拉斯诺亚尔斯克地区研究设备中心的仪器。