Improving the plasmonic response of silver nanoparticle arrays via atomic layer deposition coating and annealing above the melting point

Our work on improvement of plasmonic response of the silver nanoparticle array by using RTA above the melting point is published on The Journal of Physical Chemistry C. / 融点以上の熱処理による銀ナノ粒子アレイのプラズモン特性向上に関する東野 真（M2）らの研究成果が The Journal of Physical Chemistry C に掲載されました。Congrats, Higashino-kun!!

Optical performance of surface plasmon resonance critically depends on the material loss of the metals, which deteriorates the quality factor of the resonance. In addition to intrinsic loss that comes from interband electric transitions, the metal possesses extrinsic loss due to crystal imperfections, such as grain boundaries and point and line defects. Thermal annealing is a useful method to reduce these imperfections via recrystallization. However, the annealing treatment has to reconcile with the deformation of the shape of nanostructures at high temperatures, which limits recrystallization. Here, we boosted the annealing effect notably for silver (Ag) nanoparticle arrays by increasing the temperature higher than the melting point of Ag (=962 °C). To prevent the change of the shape and damage to the nanoparticles during the annealing, we coated the nanoparticles with a conformal layer of aluminum oxide (10 nm) by atomic layer deposition. The heat treatment at 1000 °C for 30 s in a lamp furnace successfully reduces the material loss while retaining the shape. Consequently, the quality factor of the optical resonance of the sample increases. This work opens the way to increase the performance of the plasmonic structures up to the material limit by reducing the extrinsic loss sources of crystalline imperfections. / 表面プラズモン共鳴の光学性能は、金属の光学損失に大きく依存し、共鳴の品質係数を低下させます。バンド間遷移から生じる固有の損失に加えて、金属は、粒界や点および線欠陥などの結晶欠陥による外部損失を持っています。熱アニーリングは、再結晶によってこれらの欠陥を減らすための有用な方法です。ただし、アニーリング処理は、高温でのナノ構造の形状の変形と調和する必要があり、再結晶が制限されます。ここでは、Agの融点（= 962°C）よりも高い温度を上げることにより、特に銀（Ag）ナノ粒子アレイのアニーリング効果を高めました。アニーリング中のナノ粒子の形状の変化と損傷を防ぐために、原子層堆積によってナノ粒子を酸化アルミニウムの共形層（10 nm）でコーティングしました。ランプ炉で1000°Cで30秒間熱処理することにより、形状を維持しながら材料の損失を減らすことができます。その結果、サンプルの光共振の品質係数が増加します。この作業は、結晶欠陥の外因性損失源を減らすことにより、プラズモン構造の性能を材料限界まで高める方法を与えます。

Makoto Higashino, SHUNSUKE MURAI, Katsuhisa Tanaka, The Journal of Physical Chemistry C, 10.1021/acs.jpcc.0c09112, Publication Date:December 3, 2020 Improving the plasmonic response of silver nanoparticle arrays via atomic layer deposition coating and annealing above the melting point https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.jpcc.0c09112

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