Ukrainian Journal of Physical Optics 
Home page
 
 

Other articles 

in this issue
AFM microscopy and optical studies for the shape of particles in ultrathin silver films
Download this article

Bolesta I. M. and Kushnir O. O.

Abstract. This work deals with investigations of AFM morphology and optical absorption spectra of ultrathin silver films with the mass thicknesses 0.7–1.4 nm. It is shown that the main structural elements of our Ag films are metallic clusters with the shapes of spheroids. The root mean square height and the correlation length of the film surfaces are determined using correlation analysis. The absorption spectra of the films reveal a characteristic complex band in the region of 400–500 nm, which is associated with the transversal and longitudinal oscillations of surface plasmons. In the framework of the quasi-static approximation, the splitting  DE of the surface plasmonic bands is calculated as a function of ratio c/a for the spheroids. A comparison of  DE  values obtained experimentally with the calculated ones allows for estimating the c/a ratio for the spheroidal clusters, following from the optical spectra. This estimation agrees well with the AFM data. 

Keywords: ultrathin silver films, absorption spectra, surface plasmon resonance, AFM topology

PACS: 78.66.Bz, 36.40.Gk, 78.20.-e
UDC: 535.3
Ukr. J. Phys. Opt. 13 165-170
doi: 10.3116/16091833/13/3/165/2012
Received: 07.07.2012

Анотація. Дана робота присвячена дослідженню морфології надтонких срібних плівок з масовою товщиною 0,7–1,4 нм  методом атомної силової мікроскопії і спектрів поглинання. Показано, що основними структурними елементами срібних плівок є сфероїдальні металі-чні кластери. Середньо квадратична висота і довжина кореляції поверхні плівок визначена з кореляційного аналізу. Спектри поглинання плівок проявляють характерну складну смугу в області 400–500 нм, яка асоціюється з поперечними і поздовжніми осциляціями поверхне-вих плазмонів. Розчеплення  поверхневої плазмонної смуги DE,  розраховане в рамках квазістатичного наближення як функція відношення c/a сфероїдів. Порівняння значень DE, отриманих експериментально з розрахованими значеннями дозволило оцінити відношення c/a для сфероїдальних кластерів, виходячи з оптичних спектрів. Дана оцінка добре узгоджується з даними атомної силової мікроскопії. 
  • REFERENCES
    1. Kreibig U and Vollmer M. Optical properties of metal clusters. Berlin: Springer (1995). 
    2. Bohren C and Huffmann D. Absorption and scattering of light by small particles. New York: John Wiley (1983). 
    3. Sarychev A K, Shubin V A and Shalaev V M, 1999. Anderson localization of surface plas-mons and nonlinear optics of metal-dielectric composites. Phys. Rev. B. 60: 16389–16408. DOI:10.1103/PhysRevB.60.16389
    4. Xiao S, Chettiar U K, Kildishev A V, Drachev V P and Shalaev V M, 2009. Yellow-light negative-index metamaterials. Opt. Lett. 34: 3478–3480. DOI:10.1364/OL.34.003478PMid:19927183
    5. Zubin J, Alekseyev L V and Narimanov E, 2007. Semiclassical theory of the hyperlens. J. Opt. Soc. Amer. A. 24: A52–A59. DOI:10.1364/JOSAA.24.000A52
    6. Dolling G, Wegener M, Soukoulis C M and Linden S, 2007. Negative-index metamaterial at 780 nm wavelength. Opt. Lett. 32: 53–55. DOI:10.1364/OL.32.000053PMid:17167581
    7. Borodchuk A V, Dorosh O B and Stasyuk Z V, 2000. Influence of subatomic stibium sublay-ers on metallization of silver and copper films. Visnyk Lviv Univer., Ser. Fiz. 33: 328–332. 
    8. Hong Liu, Bing Wang, Eunice S P Leong, Ping Yang, Yun Zong, Guangyuan Si, Jinghua Teng and Maier S A, 2010. Enhanced surface plasmon resonance on a smooth silver film with a seed growth layer. ACS Nano. 4: 3139–3146. DOI:10.1021/nn100466pPMid:20515054
    9. Gonzalez R. C., Woods R. E. Digital image processing New Jersey: Prentice Hall (2002). 
    10. Bolesta I M, Borodchuk A V, Kushnir A A, Kolych I I and Syworotka I I, 2011. Morphology and absorption spectra of ultra-thin films of silver. J. Phys. Stud. 15: 4703–4711. 
    11. Maier S A. Plasmonics: fundamentals and applications. New York: Springer (2007).
    (c) Ukrainian Journal of Physical Optics