Nanoantenne a papillon in oro monocristallo ad alte prestazioni fabbricate tramite deposizione elettroless epitassiale

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12745 (2023) Citare questo articolo

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La qualità dei materiali svolge un ruolo fondamentale nelle prestazioni delle strutture plasmoniche su scala nanometrica e rappresenta un ostacolo significativo all'integrazione di dispositivi su larga scala. Il progresso è stato ostacolato dalle sfide legate alla realizzazione di strategie di deposizione di metallo scalabili, di alta qualità e ultralevigate, e dagli scarsi risultati di trasferimento del modello e di fabbricazione del dispositivo caratteristici della maggior parte degli approcci di deposizione di metallo che producono una struttura metallica policristallina. Qui evidenziamo un metodo elettrochimico nuovo e scalabile per depositare oro ultraliscio, monocristallo (100) e per fabbricare una serie di nanoantenne a papillon attraverso nanopatterning sottrattivo. Investighiamo alcune delle caratteristiche prestazionali e di progettazione meno esplorate di queste nanoantenne monocristalline in relazione alle loro controparti policristalline, tra cui il trasferimento del modello e la resa del dispositivo, la risposta alla polarizzazione, l'ampiezza del campo gap e la capacità di modellare accuratamente l'antenna locale risposta sul campo. I nostri risultati sottolineano i vantaggi prestazionali dei materiali plasmonici su scala nanometrica monocristallini e forniscono informazioni sul loro utilizzo per la produzione su larga scala di dispositivi basati su plasmoni. Prevediamo che questo approccio sarà ampiamente utile nelle applicazioni in cui i campi vicini locali possono migliorare le interazioni luce-materia, inclusa la fabbricazione di sensori ottici, strutture fotocatalitiche, dispositivi basati su trasportatori caldi e architetture di metalli nobili nanostrutturati mirate alla nano-attofisica.

L'accoppiamento di onde elettromagnetiche estese a interfacce planari metallo/dielettrico attraverso polaritoni plasmonici di superficie (SPP) o a strutture metalliche su scala nanometrica attraverso plasmoni di superficie risonanti localmente (LRSP) porta a campi locali confinati e amplificati che possono essere sfruttati per applicazioni nella raccolta di energia , rilevamento, spettroscopia, catalisi e imaging. Il destino di queste eccitazioni plasmoniche è intimamente legato alle caratteristiche dei materiali da cui sono formate1,2,3,4,5,6. Le lunghezze di propagazione dell'SPP, la sfasatura, il decadimento e il disaccoppiamento dell'SP sono fortemente influenzati dalla cristallinità del materiale e dai processi di diffusione indotti da difetti del materiale, bordi dei grani e altre imperfezioni del materiale. Si prevede che le strutture plasmoniche monocristalline forniscano vantaggi rispetto ai loro analoghi policristallini attraverso la riduzione della perdita di assorbimento ottico, della dispersione dei bordi dei grani e della dissipazione, fornendo al contempo campi locali migliorati derivati ​​da nanostrutture sfaccettate ben definite. Oltre a questi vantaggi prestazionali, la plasmonica monocristallina e la nanofotonica beneficeranno di proprietà dei materiali prevedibili e riproducibili che porteranno a metodi di lavorazione, scala di produzione, rendimenti dei dispositivi e nuove applicazioni migliorati, che sono tutti auto-rinforzanti e aiuteranno ad espandere la portata e ampiezza delle applicazioni dei dispositivi nanofotonici.

Sebbene i materiali monocristallini abbiano mostrato vantaggi prestazionali significativi in ​​altre applicazioni7,8,9, la plasmonica monocristallina è rimasta una sfida. La deposizione convenzionale di metalli plasmonici come l'oro viene generalmente effettuata tramite tecniche di deposizione fisica in fase di vapore (PVD) e generalmente forma pellicole metalliche policristalline e nanostrutture. Sebbene siano state sviluppate strategie di deposizione e altri protocolli per mitigare il carattere policristallino di questi film10, la deposizione di metalli policristallini può portare a rese di fabbricazione compromesse, nonché a perdite e dissipazioni che si traducono in inefficienza del dispositivo11,12, e rimane una sfida significativa nel settore . Recentemente abbiamo sviluppato un approccio alternativo per ottenere pellicole di Au(100) monocristalline ultralisce tramite deposizione chimica da soluzioni altamente alcaline di comuni sali d'oro su substrati Ag(100)/Si(100)13 (Informazioni supplementari 1). Il metodo è scalabile a livello di wafer, rispettoso dell'ambiente e rappresenta un nuovo approccio promettente all'integrazione di strutture plasmoniche a base di metalli nobili in architetture di dispositivi compatibili con CMOS14,15. L’ambiente ad elevata alcalinità dell’elettrolita determina la sostituzione del ligando nel precursore dell’oro AuCl ¯4 (E° = 1,00 V) per formare Au(OH) ¯4 (E° = 0,57 V), evitando la sostituzione galvanica del substrato d’argento (E° = 0,80 V), che altrimenti prevarrebbe a pH più bassi. Inoltre, diminuendo la velocità di fornitura di elettroni al substrato (cioè la velocità di ossidazione dell'agente riducente) attraverso l'uso di un improbabile agente riducente come lo ione idrossido (4OH¯ → O2 + 2H2O + 4e¯ (E° = − 0,40 V)), limita la velocità di riduzione del complesso metallico sulla superficie del substrato, offrendo una deposizione uniforme di metallo nobile epitassiale su ampia area (Informazioni supplementari 2). Qui, utilizziamo questo approccio per fabbricare dispositivi nanoantenna a papillon per fornire un confronto diretto tra le caratteristiche prestazionali delle strutture a papillon monocristalline e policristalline.