大面積成膜における斜角スパッタリングの効果：一方向性超薄金プラズモニック膜の成長設計

The effect of oblique-angle sputtering on large area deposition: a unidirectional ultrathin Au plasmonic film growth design.

• Hicham Bakkali
• Eduardo Blanco
• Manuel Dominguez
• María Beatriz de la Mora
• Citlali Sánchez-Aké
• Mayo Villagrán-Muniz
• Bruno Bérini
• David S Schmool
• Sam E Lofland

抄録

量子相転移近傍の臨界領域やスケーリング挙動を研究するためには、連続的に膜厚が変化する極薄ナノグラニュラー(NG)金属膜を成長させることが大きな関心事である。本研究では、サファイア基板上にRFマグネトロンスパッタリングを用いて、意図的な堆積勾配をつけて5nmから13nmの範囲で直線的に変化する超薄金プラズモニックNG膜を成長させた。目的は、量子トンネル領域から金属伝導領域への電子相転移を正確に調べることである。膜の構造解析は、高分解能透過電子顕微鏡、原子間力顕微鏡、X線回折、反射率測定などの手法を用いて行った。光学的及び電気的測定から、tが臨界値t_M=7.8nmよりも大きくなると、誘電体で絶縁された金ナノ粒子から連続的な金属ネットワークへと遷移することがわかった。我々の結果は、局所的な表面プラズマ共鳴が自由電荷キャリアを示すドルード成分を示すように変化したときにパーコレーション領域が発生することを示している。連続的に変化する厚さを用いることで、金属性の基準が明確に特定できることを実証した。また、金属性の発生は、ドリュード減衰係数と厚さの関数としてのプラズマ周波数の不連続性によって明確に区別できることを示した。

Growing ultrathin nanogranular (NG) metallic films with continuously varying thickness is of great interest for studying regions of criticality and scaling behaviors in the vicinity of quantum phase transitions. In the present work, an ultrathin gold plasmonic NG film was grown on a sapphire substrate by RF magnetron sputtering with an intentional deposition gradient to create a linearly variable thickness ranging from 5 to 13 nm. The aim is to accurately study the electronic phase transition from the quantum tunneling regime to the metallic conduction one. The film structural characterization was performed by means of high-resolution transmission electron microscopy, atomic force microscopy, as well as X-ray diffraction and reflectivity techniques, which indicate the Volmer-Weber film growth mode. The optical and electrical measurements show a transition from dielectric-isolated gold NPs towards a continuous metallic network when t becomes larger than a critical value of t_M = 7.8 nm. Our results show that the onset of the percolation region occurs when a localized surface plasma resonance transforms to display a Drude component, indicative of free charge carriers. We demonstrate that, by using a continuously varying thickness, criteria for metallicity can be unambiguously identified. The onset of metallicity is clearly distinguished by the Drude damping factor and by discontinuities in the plasma frequencies as functions of thickness.

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