CC BY
35
ФИЗИКА И ЕЁ ПРЕПОДАВАНИЕ
УДК 538.9:539.23
Алексеева Н. О., Вейсман В. Л., Гребнева Л. В., Лукин А. Е., Панькова С. В., Соловьев В. Г., Яников М. В.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ОПАЛОВ, ПОКРЫТЫХ ТОНКОЙ ПЛЕНКОЙ АЛЮМИНИЯ
Напыление металлических слоев на поверхности диэлектриков используется в различных областях экспериментальной физики: для создания золотых или серебряных электродов при исследовании электрических свойств материалов, изготовления пленочных резисторов, приготовления образцов в электронной и сканирующей туннельной микроскопии и др. В последние годы развитие технологии приготовления многослойных металлодиэлектрических структур приобрело особую актуальность в связи с возможностью создания гибридных коллоидных плазмонно-фотонных кристаллов [1, 2]. Эти сложные оптические системы представляют собой различные комбинации таких структурных элементов, как диэлектрический фотонный кристалл (ФК) на основе сфер опала [3, 4] и непрерывная профилированная металлическая пленка, что позволяет существенно расширить функциональные возможности ФК за счет дополнительного переноса энергии поверхностными плазмон-поляритонами вдоль границы раздела металл-диэлектрик. При этом существенным является вопрос о том, будет ли пленка металла повторять рельеф поверхности, который определяется сферической формой опаловых глобул (рис. 1, а), или же металл, заполняя неровности и попадая в промежутки между сферами, сформирует плоскую наружную поверхность (рис. 1, б). В данной работе ответ на этот вопрос дается на основе результатов, полученных нами с помощью сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) - одного из мощных современных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела, - а также спектров брэгговского отражения света от изучаемых фотонно-кристаллических структур.
металл
опаловые глобулы
а
металл
опаловые глобулы
б
Рис. 1. Возможные способы распределения металла на поверхности опала.
176
В настоящей работе исследовались образцы опаловых матриц, синтезированные в ЦНИТИ «Техномаш» (г. Москва), на поверхность которых методом вакуумного напыления наносились тонкие слои алюминия (рис. 2). Резистивное термическое испарение алюминия в вакууме осуществлялось с помощью оригинальной установки на основе механического насоса типа 2НВР-5ДМ, обеспечивавшего вакуум с суммарным давлением остаточных газов ~ 5*10-4 торр.
В качестве рабочей камеры применялась азотная ловушка типа ЛА-100, снабженная криопанелями и имеющая свободный объем 7 л. Давление в рабочей камере измерялось манометром ПМТ-2 с помощью вакууметра ВИТ-1А. Для получения металлического (А1) покрытия на поверхности опала использовался резистивный испаритель (рис. 3), изготовленный из нихромовой проволоки диаметром 1 мм с малой навеской (20-50 мг) испаряемого металла. Ток через испаритель, подаваемый от выпрямителя ВСА-5, увеличивался ступенчато - на 1 А через каждую минуту до рабочего значения 11 А. Напыление алюминия на образец опала проводилось при температуре жидкого азота (77 К). Полученные в результате металлические покрытия обладали хорошей адгезией к подложке (синтетическому опалу). Толщина слоя алюминия на поверхности исследованного образца определялась методом СЗМ и составила порядка 50 нм.
Рис. 2. Образец опала, покрытый тонким слоем Рис. 3. Съемная напылительная алюминия. система для резистивного тер-
мического испарения металлов в вакууме.
Для изучения поверхности опалов, покрытых тонкими пленками алюминия (в данной работе подобные образцы обозначаются как «опал + Al»), методом СЗМ использовался нанотехнологический комплекс «NanoEducator» (рис. 4), работающий в режиме атомно-силового микроскопа (АСМ). Вследствие быстрого окисления слоя алюминия исследование поверхности образцов в режиме сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) оказалось невозможным.
Рис. 4. Сканирующий зондовый микроскоп «NanoEducator».
Для экспериментального исследования спектров брэгговского отражения образцов с угловым разрешением в видимой области спектра использовалась экспериментальная установка, состоящая из поворотного столика с держателем образца, волоконного осветителя ОВ-12, системы световодов и линз, спектрометра видимого диапазона модели S фирмы 3B Scientific, который подключался к компьютеру. Для обработки экспериментальных данных применялась современная компьютерная программа Origin 8.1.
Как видно из рис. 5, а и б, наблюдается большое сходство спектров брэгговского отражения образца «опал + Al» и исходного опала, не покрытого слоем алюминия. Графики, описывающие угловую дисперсию брэгговского резонанса первого поряд-
2 2 2 2 2
ка в соответствии с уравнением X =4сГПл — 4сг sin" 9 [5], в этих двух случаях практически параллельны (рис. 6), что свидетельствует о том, что диаметры сфер опала совпадают в пределах ошибки измерения (5 нм), и, следовательно, тонкий слой металла, покрывающий поверхность образца при напылении, принимает форму глобул опала. Этот вывод подтверждают и АСМ - изображения поверхностей этого образца (рис. 7), полученные до и после нанесения алюминия, из которых можно оценить среднее значение диаметра сфер опала: D = (250 ±25) нм.
Отметим, что эти экспериментальные результаты, полученные нами для тонких пленок алюминия, согласуются с данными других авторов для пленок Ag [6, 7], Au [8-10], Cu [11], Ni [12] и Ti [13], нанесенных на поверхность опаловых матриц. Таким образом, нанесение тонкого слоя металла на поверхность опала при использованных условиях эксперимента сохраняет форму и пространственную периодичность профилированной наружной поверхности образца, характерную для структуры опала.
Авторы признательны М. И. Самойловичу (ЦНИТИ «Техномаш», г. Москва) за предоставление образцов синтетических опаловых матриц; С. Г. Романову (ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург) за помощь в работе и обсуждение результатов.
Рис. 5. Нормированные спектры отражения образца «опал + А1» (а) и исходного опала, не покрытого слоем алюминия (б), при различных углах падения.
Рис. 6. Угловая дисперсия брэгговского резонанса 1-го порядка для чистого опала и покрытого слоем металла образца «опал + А1».
а б
Рис. 7. 3D АСМ - изображения поверхностей образца «опал + Al» (а) и исходного опала,
не покрытого алюминием (б).
Работа поддержана АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы»
Министерства образования и науки Российской Федерации.
Литература
1. Romanov S. G., Korovin A., Regensburger A., Peschel U. Hybrid Colloidal Plas-monic-Pho-tonic Crystals // Advanced Materials. - 2011. - V. 23. - P. 2515-2533.
2. Romanova A. S., Korovin A. V., Романов С. Г. Опалы с тонкопленочным металлическим дефектом - гибридные коллоидные плазмонно-фотонные кристаллы // Физика твердого тела. - 2011. - Т. 53. - № 6. - С. 1097-1105.
3. Балакирев В. Г., Богомолов В. Н., Журавлёв В. В., Кумзеров Ю. А., Петрановский В. П., Романов С. Г., Самойлович Л. А. Трехмерные сверхрешетки в матрицах опалов // Кристаллография. - 1993. - Т. 38. - № 3. - С. 111-120.
4. Astratov V. N., Bogomolov V. N., Kaplyanskii A. A., Prokofiev A. V, Samoilovich L. A., Samoilovich S. M., Vlasov Yu. A. Optical spectroscopy of opal matrices with CdS embedded in its pores: Quantum confinement and photonic band gap effects // Il Nuovo Cimento. - 1995. -V. 17D. - No. 11-12. - P. 1349-1354.
5. Кумзеров Ю. А., Соловьев В. Г., Ханин С. Д. Физика регулярных матричных композитов и слоистых систем с наноструктурироваными неорганическими и органическими веществами. - Псков: ПГПУ, 2009. - 288 с.
6. Farcau C., Astilean S. Probing the unusual optical transmission of silver films deposited on twodimensional regular arrays of polystyrene microspheres // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. - 2007. - V. 9. - S345-S349.
7. Mu W., Hwang D.-K., Chang R. P. H., Sukharev M., Tice D. B., Ketterson J. B. Surfaceen-hanced Raman scattering from silvercoated opals // Journal of Chemical Physics. - 2011. - V. 134. - P. 124312 (1-7).
8. Zhan P., Wang Z. L., Dong H., Sun J., Wu J., Wang H.-T., Zhu S. N., Ming N. B., Zi J. The anomalous infrared transmission of gold films on twodimensional colloidal crystals // Advanced Materials. - 2006. - V. 18. - P. 1612-1616.
9. Ding B., Pemble M. E., Korovin A. V., Peschel U., Romanov S. G. Gold filmterminated 3-di-mensional photonic crystals // Applied Physics A. - 2011. - V. 103. - P. 889-894.
10. Ding B., Bardosova M., Pemble M. E., Korovin A. V, Peschel U., Romanov S. G. Broadband omnidirectional diversion of light in hybrid plasmonic-photonic heterocrystals // Advanced Functional Materials. - 2011. - V 21. - P. 4182-4192.
11. Булыгина Е. В., Сидорова С. А., Беседина К. Н. Исследование микрорельефа тонкопленочных структур, сформированных на поверхности синтетического опала // Материалы XV Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России» и XXII Международного симпозиума «Тонкие пленки в электронике». - М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, ОАО ЦНИТИ «Техномаш», 2009. - С. 491-494.
12. Landstrom L., Brodoceanu D., Bauerle D., Garcia-Vidal F. J., Rodrigo S. G., Martin-Moreno L. Extraordinary transmission through metal-coated monolayers of microspheres // Optics Express. - 2009. - V. 17. - P. 761-772.
13. Моисеев К. М., Янович С. В., Беседина К. Н., Панфилов Ю. В. Формирование металлических тонкопленочных покрытий на поверхности синтетической опаловой матрицы для автоэмиссионной электроники // Материалы XV Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России» и XXII Международного симпозиума «Тонкие пленки в электронике». - М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, ОАО ЦНИТИ «Техномаш», 2009. - С. 383-385.
Alekseeva N., Veisman V., Grebneva L., Lukin A., Pan'kova S., Solovyev V., YanikovM.
EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF OPAL SURFACES COVERED WITH THIN ALUMINIUM FILM
In order to prepare opal-based metal-dielectric systems one can use photonic crystal slabs coated with thin metalfilms. Usually the outer surface of thin metal layer covering opal sample is notflat: it is corrugated (e.g., periodically profiled like the opal-metal interface), making it possible to excite the surface plasmon polaritons. Results of our experiments -AFM images and Bragg reflectance spectra of synthetic opals covered by vacuum deposited thin aluminium films - confirm this conclusion: opal sphere diameters obtainedfrom AFM-images and those calculated from Bragg reflectance spectra for uncoated and aluminium-coated opals coincide each other within the experimental error.
Key words: opals, plasmonic-photonic crystals, corrugated thin metal films, Bragg reflectance spectroscopy, atomic force microscopy (AFM).
