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    量子工程原子級光滑的單晶銀膜

    需要具有高質量單晶的超低損耗金屬薄膜作為納米光子學和量子信息處理應用的理想表面。由于光學和近紅外(近紅外)頻率的低損耗,銀是迄今為止最優選的材料。在最近發表在科學報告上的一項研究中,Ilya A. Rodionov和德國和俄羅斯的跨學科研究團隊報告了一種兩步法電子束蒸發原子級光滑的單晶金屬薄膜。他們提出了一種方法,在原子水平上建立薄膜生長動力學的熱力學控制,以沉積最先進的金屬薄膜。

    研究人員沉積了35至100納米厚的單晶銀薄膜,其表面粗糙度低于100皮米(pm),理論上有限的光學損耗,形成超高Q納米光子器件。他們通過實驗估計了材料純度,材料晶界,表面粗糙度和結晶度對金屬薄膜光學性質的影響。該團隊展示了銀,金和鋁薄膜單晶生長的基本兩步法,為納米光子學,生物技術和超導量子技術開辟了新的可能性。研究小組打算采用該方法合成其他極低損耗的單晶金屬薄膜。

    具有用于近場操作,放大和亞波長積分的等離子體效應的光電器件可以開辟納米光子學,量子光學和量子信息的新前沿。然而,金屬中的歐姆損耗對于開發各種有用的等離子體裝置是一個相當大的挑戰。材料科學家致力于研究金屬薄膜性能對開發高性能材料平臺的影響。單晶平臺和納米級結構改變可以通過消除材料引起的散射損失來防止這個問題。而銀是最著名的等離子體金屬之一在光學和近紅外頻率下,金屬對單晶薄膜生長具有挑戰性。

    以前關于單晶銀膜生長方法的報道依賴于分子束外延(MBE)或物理氣相沉積(PVD),原子光滑度和顯著降低的光學損耗。在本研究中,Rodionov等人。使用了兩步PVD增長方法以前由同一研究團隊開發,使用高真空電子束蒸發器獲得原子級光滑的單晶金屬薄膜。該方法在原子光滑表面上促進了高結晶度和純度,具有獨特的光學性質和熱力學穩定性。與MBE技術相比,該工藝靈活,廉價且快速,具有高沉積速率。該團隊可以使用各種金屬復制該方法,包括銀,金和鋁,廣泛用于量子光學和量子信息。

    在材料開發的兩步沉積過程中,Rodionov等人。首先在350攝氏度的基板上生長出一個含有應變二維銀島(原子特征)的晶種,其原子級平坦的頂面(AFT 2-D島)。根據電子生長模型,銀島是一種受限制的電子氣到二維量子阱(限制電子的能量勢壘)。然后,研究人員在相同的真空循環中將基板冷卻至25℃以防止去濕效應。他們將AFT 2-D種子上的銀蒸發,形成連續的單晶膜,完成。隨后,它們在較高溫度(320-480℃)下對銀膜進行退火,這改善了所得膜的晶體結構和表面粗糙度??茖W家將他們的沉積工藝命名為SCULL-用于“單晶連續超平滑低損耗低成本”薄膜生產。

    研究小組使用SCULL開發了材料并比較了六種代表性薄膜的結果,其中包括三種不同厚度(35nm,70nm和100nm)的SCULL單晶薄膜和三種100nm厚的多晶薄膜??茖W家們使用高分辨率廣角X射線衍射(XRD)來觀察具有最低缺陷水平的高質量薄膜。然后使用高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM),研究小組證明了銀膜的單晶性質。他們使用電子背散射衍射(EBSD)來分析疇結構并提取單晶和多晶薄膜的平均晶粒尺寸。

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