에피택셜 무전해 증착을 통해 제작된 고성능 단결정 금 나비넥타이 나노안테나

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12745(2023) 이 기사 인용

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재료 품질은 나노미터 규모 플라즈몬 구조의 성능에 중요한 역할을 하며 대규모 장치 통합에 중요한 장애물을 나타냅니다. 확장 가능하고 고품질이며 매우 매끄러운 금속 증착 전략을 실현하려는 과제와 열악한 패턴 전사 및 장치 제조로 인해 다결정 금속 구조를 생성하는 대부분의 금속 증착 접근 방식의 특징으로 인해 진행이 방해를 받았습니다. 여기에서는 매우 매끄러운 단결정(100) 금을 증착하고 감산 나노패터닝을 통해 일련의 나비넥타이 나노안테나를 제작하는 새롭고 확장 가능한 전기화학적 방법을 강조합니다. 우리는 패턴 전달 및 장치 수율, 편파 응답, 갭 필드 크기 및 안테나 국부적으로 정확하게 모델링하는 능력을 포함하여 다결정 나노 안테나와 관련하여 덜 잘 탐구된 이러한 단결정 나노 안테나의 일부 설계 및 성능 특성을 조사합니다. 현장 응답. 우리의 결과는 단결정 나노스케일 플라즈몬 물질의 성능 이점을 강조하고 플라즈몬 기반 장치의 대규모 제조에 대한 사용에 대한 통찰력을 제공합니다. 우리는 이 접근 방식이 광학 센서, 광촉매 구조, 핫 캐리어 기반 장치 및 나노 원자물리학을 목표로 하는 나노 구조 귀금속 아키텍처의 제조를 포함하여 국부 근거리장이 광물질 상호 작용을 향상시킬 수 있는 응용 분야에서 광범위하게 유용할 것으로 기대합니다.

확장된 전자기파를 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP)을 통해 평면 금속/유전체 인터페이스에 결합하거나 국부 공명 표면 플라즈몬(LRSP)을 통해 나노미터 규모의 금속 구조에 결합하면 에너지 수확에 적용할 수 있는 제한되고 증폭된 국부 장을 얻을 수 있습니다. , 감지, 분광학, 촉매 및 이미징. 이러한 플라즈몬 여기의 운명은 이들이 형성되는 물질의 특성과 밀접하게 연관되어 있습니다. SPP 전파 길이, SP 디페이징, 붕괴 및 디커플링은 재료 결함, 입자 경계 및 기타 재료 결함으로 인해 유발되는 재료 결정화도 및 산란 프로세스에 의해 크게 영향을 받습니다. 단결정 플라즈몬 구조는 광학 흡수 손실, 결정립계 산란 및 소산의 감소를 통해 다결정 유사체에 비해 이점을 제공하는 동시에 잘 정의된 면처리된 나노구조에서 파생된 향상된 로컬 필드를 제공할 것으로 예상됩니다. 이러한 성능 이점 외에도 단결정 플라즈모닉 및 나노포토닉스는 향상된 처리 방법, 생산 규모, 장치 수율 및 새로운 응용 분야로 이어지는 예측 가능하고 재현 가능한 재료 특성의 이점을 누릴 수 있습니다. 나노포토닉 장치 응용 분야의 범위와 폭.

단결정 재료는 다른 응용 분야에서 상당한 성능 이점을 보여주었지만 단결정 플라즈몬은 여전히 ​​과제로 남아 있습니다. 금과 같은 플라즈몬 금속의 기존 증착은 일반적으로 물리적 기상 증착(PVD) 기술을 통해 수행되며 일반적으로 다결정 금속 필름과 나노구조를 형성합니다. 이러한 필름의 다결정 특성을 완화하기 위한 증착 전략 및 기타 프로토콜이 개발되었지만10 다결정 금속 증착은 제조 수율의 저하뿐만 아니라 장치 비효율성을 초래하는 손실 및 소실로 이어질 수 있으며11,12 현장에서 여전히 중요한 과제로 남아 있습니다. . 우리는 최근 일반적인 금염의 고알칼리성 용액을 Ag(100)/Si(100) 기판13(보충 정보 1)에 무전해 증착하여 매우 매끄러운 단결정 Au(100) 막을 달성하기 위한 대체 접근 방식을 개발했습니다. 이 방법은 웨이퍼 수준으로 확장 가능하고 환경 친화적이며 귀금속 기반 플라즈몬 구조를 CMOS 호환 장치 아키텍처에 통합하는 유망한 새로운 접근 방식을 나타냅니다. 전해질의 높은 알칼리도 환경은 금 전구체 AuCl ̅4(E° = 1.00 V)에서 리간드 교체를 유도하여 Au(OH) ̅4(E° = 0.57 V)를 형성하여 은 기판의 갈바니 대체(E° = 0.80 V), 그렇지 않으면 낮은 pH에서 지배적입니다. 또한, 수산화물 이온(4OH̅ → O2 + 2H2O + 4e̅(E° = − 0.40 V))는 기판 표면에서 금속 복합체 감소 속도를 제한하여 넓은 면적과 균일한 에피택셜 귀금속 증착을 제공합니다(보충 정보 2). 여기서 우리는 이 접근법을 사용하여 단결정 및 다결정 나비넥타이 구조의 성능 특성을 직접 비교하기 위해 나비넥타이 나노안테나 장치를 제작합니다.