Nanoantennes à nœud papillon en or monocristallin hautes performances fabriquées par dépôt autocatalytique épitaxial

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12745 (2023) Citer cet article

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La qualité des matériaux joue un rôle essentiel dans les performances des structures plasmoniques à l'échelle nanométrique et représente un obstacle important à l'intégration de dispositifs à grande échelle. Les progrès ont été entravés par les défis liés à la mise en œuvre de stratégies de dépôt de métaux ultra-lisse, évolutives et de haute qualité, ainsi que par les mauvais rendements de transfert de motifs et de fabrication de dispositifs caractéristiques de la plupart des approches de dépôt de métaux qui donnent une structure métallique polycristalline. Nous mettons ici en évidence une méthode électrochimique nouvelle et évolutive pour déposer de l’or monocristallin ultra-lisse (100) et pour fabriquer une série de nanoantennes en nœud papillon grâce à des nanomotifs soustractifs. Nous étudions certaines des caractéristiques de conception et de performance les moins bien explorées de ces nanoantennes monocristallines par rapport à leurs homologues polycristallins, notamment le transfert de motif et le rendement du dispositif, la réponse de polarisation, l'amplitude du champ d'intervalle et la capacité de modéliser avec précision l'antenne locale. réponse sur le terrain. Nos résultats soulignent les avantages en termes de performances des matériaux plasmoniques nanocristallins monocristallins et donnent un aperçu de leur utilisation pour la fabrication à grande échelle de dispositifs à base de plasmons. Nous prévoyons que cette approche sera largement utile dans les applications où les champs proches locaux peuvent améliorer les interactions lumière-matière, notamment pour la fabrication de capteurs optiques, de structures photocatalytiques, de dispositifs basés sur des supports chauds et d'architectures de métaux nobles nanostructurées ciblant la nano-attophysique.

Le couplage d'ondes électromagnétiques étendues à des interfaces planaires métal/diélectrique via des polaritons de plasmons de surface (SPP) ou à des structures métalliques à l'échelle nanométrique via des plasmons de surface localement résonants (LRSP) conduit à des champs locaux confinés et amplifiés qui peuvent être exploités pour des applications dans la récupération d'énergie. , détection, spectroscopie, catalyse et imagerie. Le devenir de ces excitations plasmoniques est intimement lié aux caractéristiques des matériaux à partir desquels elles sont formées1,2,3,4,5,6. Les longueurs de propagation du SPP, le déphasage, la désintégration et le découplage du SP sont fortement influencés par la cristallinité du matériau et les processus de diffusion induits par les défauts du matériau, les joints de grains et d'autres imperfections du matériau. Les structures plasmoniques monocristallines devraient présenter des avantages par rapport à leurs analogues polycristallins grâce à des réductions de la perte d'absorption optique, de la diffusion et de la dissipation aux limites des grains, tout en fournissant des champs locaux améliorés dérivés de nanostructures à facettes bien définies. En plus de ces avantages en termes de performances, la plasmonique et la nanophotonique monocristallines bénéficieront de propriétés de matériaux prévisibles et reproductibles qui conduiront à des méthodes de traitement améliorées, à une échelle de production, à des rendements de dispositifs et à de nouvelles applications, qui s'auto-renforceront toutes et contribueront à élargir le portée et l'étendue des applications des dispositifs nanophotoniques.

Alors que les matériaux monocristallins ont montré des avantages significatifs en termes de performances dans d'autres applications7,8,9, la plasmonique monocristalline reste un défi. Le dépôt conventionnel de métaux plasmoniques tels que l'or est généralement effectué par des techniques de dépôt physique en phase vapeur (PVD) et forme généralement des films métalliques polycristallins et des nanostructures. Bien que des stratégies de dépôt et d'autres protocoles visant à atténuer le caractère polycristallin de ces films aient été développés10, le dépôt de métaux polycristallins peut conduire à des rendements de fabrication compromis, ainsi qu'à des pertes et des dissipations qui entraînent une inefficacité du dispositif11,12, et restent un défi important dans le domaine. . Nous avons récemment développé une approche alternative pour obtenir des films Au (100) monocristallins ultra-lisse via un dépôt autocatalytique à partir de solutions hautement alcalines de sels d'or courants sur des substrats Ag (100) / Si (100) (informations supplémentaires 1). La méthode est évolutive au niveau de la tranche, respectueuse de l'environnement et représente une nouvelle approche prometteuse pour l'intégration de structures plasmoniques à base de métaux nobles dans des architectures de dispositifs compatibles CMOS14,15. L'environnement à haute alcalinité de l'électrolyte entraîne le remplacement du ligand dans le précurseur d'or AuCl ¯4 (E° = 1,00 V) pour former Au(OH) ¯4 (E° = 0,57 V), évitant ainsi le remplacement galvanique du substrat d'argent (E° = 0,80 V), qui autrement dominerait à des pH plus bas. De plus, diminuer le taux d'apport d'électrons au substrat (c'est-à-dire le taux d'oxydation de l'agent réducteur) grâce à l'utilisation d'un agent réducteur improbable tel que l'ion hydroxyde (4OH¯ → O2 + 2H2O + 4e¯ (E° = − 0,40 V)), limite le taux de réduction du complexe métallique à la surface du substrat, permettant un dépôt épitaxial uniforme de métaux nobles sur une grande surface (informations supplémentaires 2). Ici, nous utilisons cette approche pour fabriquer des dispositifs de nanoantennes à nœud papillon afin de fournir une comparaison directe entre les caractéristiques de performance des structures nœud papillon monocristallines et polycristallines.