Nanoantenas de gravata borboleta de ouro de cristal único de alto desempenho fabricadas via deposição epitaxial sem eletrodo

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12745 (2023) Citar este artigo

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A qualidade do material desempenha um papel crítico no desempenho de estruturas plasmônicas em escala nanométrica e representa um obstáculo significativo para a integração de dispositivos em larga escala. O progresso tem sido prejudicado pelos desafios de realizar estratégias de deposição de metal ultra-suave, escalonáveis ​​e de alta qualidade, e pela baixa transferência de padrões e rendimentos de fabricação de dispositivos característicos da maioria das abordagens de deposição de metal que produzem estrutura metálica policristalina. Aqui destacamos um método eletroquímico novo e escalável para depositar ouro ultra-suave de cristal único (100) e para fabricar uma série de nanoantenas de gravata borboleta através de nanopadronização subtrativa. Investigamos algumas das características menos exploradas de design e desempenho dessas nanoantenas monocristalinas em relação às suas contrapartes policristalinas, incluindo transferência de padrão e rendimento do dispositivo, resposta de polarização, magnitude do campo de lacuna e a capacidade de modelar com precisão o local da antena. resposta de campo. Nossos resultados ressaltam as vantagens de desempenho de materiais plasmônicos em nanoescala monocristalinos e fornecem informações sobre seu uso na fabricação em larga escala de dispositivos baseados em plasmons. Prevemos que esta abordagem será amplamente útil em aplicações onde campos próximos locais podem melhorar as interações luz-matéria, inclusive para a fabricação de sensores ópticos, estruturas fotocatalíticas, dispositivos baseados em portadores quentes e arquiteturas nanoestruturadas de metais nobres visando a nano-atofísica.

O acoplamento de ondas eletromagnéticas estendidas a interfaces planares de metal/dielétrico através de polaritons de plasmon de superfície (SPPs) ou a estruturas metálicas em escala nanométrica através de plasmons de superfície localmente ressonantes (LRSPs) leva a campos locais confinados e amplificados que podem ser explorados para aplicação em coleta de energia , detecção, espectroscopia, catálise e imagem. O destino dessas excitações plasmônicas está intimamente ligado às características dos materiais a partir dos quais são formadas1,2,3,4,5,6. Comprimentos de propagação de SPP, defasagem, decaimento e desacoplamento de SP são fortemente influenciados pela cristalinidade do material e processos de dispersão que são induzidos por defeitos de material, limites de grão e outras imperfeições do material. Espera-se que as estruturas plasmônicas monocristalinas produzam vantagens sobre seus análogos policristalinos através de reduções na perda de absorção óptica, espalhamento e dissipação nos limites dos grãos, ao mesmo tempo que fornecem campos locais aprimorados derivados de nanoestruturas facetadas bem definidas. Além dessas vantagens de desempenho, a plasmônica e a nanofotônica de cristal único se beneficiarão de propriedades de materiais previsíveis e reprodutíveis que levam a melhores métodos de processamento, escala de produção, rendimento de dispositivos e novas aplicações, todas elas auto-reforçadas e ajudarão a expandir o escopo e amplitude das aplicações de dispositivos nanofotônicos.

Embora os materiais monocristalinos tenham mostrado vantagens significativas de desempenho em outras aplicações, a plasmônica monocristalina continua sendo um desafio. A deposição convencional de metais plasmônicos, como o ouro, é normalmente realizada através de técnicas de deposição física de vapor (PVD) e geralmente forma filmes metálicos policristalinos e nanoestruturas. Embora estratégias de deposição e outros protocolos para mitigar o caráter policristalino desses filmes tenham sido desenvolvidos10, a deposição de metal policristalino pode levar a rendimentos de fabricação comprometidos, bem como perda e dissipação que resultam em ineficiência do dispositivo11,12, e continua sendo um desafio significativo no campo . Recentemente, desenvolvemos uma abordagem alternativa para obter filmes monocristalinos ultrasuaves de Au (100) por meio de deposição sem elétrons a partir de soluções altamente alcalinas de sais de ouro comuns em substratos Ag (100) / Si (100) (Informação Suplementar 1). O método é escalável ao nível do wafer, ecologicamente correto e representa uma nova abordagem promissora para a integração de estruturas plasmônicas baseadas em metais nobres em arquiteturas de dispositivos compatíveis com CMOS . O ambiente de alta alcalinidade do eletrólito impulsiona a substituição do ligante no precursor de ouro AuCl ¯4 (E° = 1,00 V) para formar Au(OH) ¯4 (E° = 0,57 V), evitando a substituição galvânica do substrato de prata (E° = 0,80 V), que de outra forma dominaria em pH mais baixos. Além disso, diminuindo a taxa de fornecimento de elétrons ao substrato (ou seja, a taxa de oxidação do agente redutor) através do uso de um agente redutor improvável, como o íon hidróxido (4OH¯ → O2 + 2H2O + 4e¯ (E° = - 0,40 V)), limita a taxa de redução do complexo metálico na superfície do substrato, proporcionando grande área e deposição epitaxial uniforme de metal nobre (Informação Suplementar 2). Aqui, usamos essa abordagem para fabricar dispositivos de nanoantena bowtie para fornecer uma comparação direta entre as características de desempenho de estruturas bowtie monocristalinas e policristalinas.