Superiority of localized surface plasmon resonance technique in characterization of ultra-thin metallic films

The ultra-thin nanostructured metallic films of [ view full abstract ]

The ultra-thin nanostructured metallic films of <10 nm are of great interest because of their potential applications in nano-optics, energy harvesters like thin film solar cell and surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) [1-3]. The controlled fabrication of such nanostructures along with accurate and fast characterization is very much important for its useful applications. This article presents, a comparison between UV-visible transmission, x-ray reflectivity (XRR) , grazing incidence x-ray diffraction (GIXRD), field-emission scanning electron   microscopy (FESEM) and atomic force microscopy (AFM) techniques for the characterization of sputtered-grown Au thin films (1.4 to 8.4 nm thickness) deposited on glass substrate. The optical transmission of 1.4 nm thickness film shows a clear dip at ~530 nm wavelength in the spectra   which shift to higher wavelength side and broadened with an increases in the film thickness (Fig.1). These dips are found due to presence of random Au islands in the films (Fig.2) showing excitation of characteristic localized surface plasmon resonance (LSPR). The LSPR minima position and its broadening  are intimately dependent on sizes and shapes of the nanoparticles as well as their decoration on the substrate. A linear variation has been found in film thickness and LSPR  minima position for lower thickness. The minor modification in the film thickness produces direct feedback with a significant variation in the LSPR profile. The island height variation in different films are determined by AFM. On the other hand, XRR technique shows drastic reduction in the specular reflection with decrease in the film thickness that results in vanished Kissing oscillations  in spectra which provides limited information about the thin films (<8.4 nm) (Fig. 3). However, patches of continuous film (~8.4 nm) are supportive  in XRR measurement, while devoid of LSPR generation. For lower thickness films (<2.8 nm), GIXRD technique also not able to deliver the significant information (Fig. 4). Finally, we conclude that LSPR spectroscopy can provide much better information about the Au films up to ~1 nm thickness. 

1.S. A. Maier et al, Adv. Mater. 19, 1501 (2001).

2.Y. A. Akimov et al, Opt. Exp. 17, 10195 (2009).

3.G. Q. Liu at el, Optik 124, 5124 (2013).