Elektrodynamik dünner Metallfilme am Isolator-Metall-Übergang

Abstract

Die hier vorgestellten Messungen an dünnen Goldfilmen wurden in einem sehr breiten Frequenzbereich zwischen 0 cm-1 und 35.000 cm-1 durchgeführt. Die Schichtdicken der Proben liegen dabei in einem wenige Nanometer umfassenden Bereich um die als Perkolationsgrenze bezeichnete kritische Schichtdicke. Zur Charakterisierung der optischen Eigenschaften wurden neben Messungen mittels spektroskopischer Ellipsometrie und Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie zusätzlich DC-Messungen verwendet. Durch die Zusammenführung der Messungen können die dielektrischen Eigenschaften der Filme über den gesamten Frequenzbereich durch eine Kramers-Kronig-konsistente effektive dielektrische Funktion beschrieben werden. Dabei wird die optische Leitfähigkeit der Filme durch zwei Anteile dominiert: Zum einen ein Drude-Anteil, welcher bei der Perkolationsgrenze im niederfrequenten Bereich entsteht und zum anderen durch einen Anteil, der durch die Anregung von Plasmonen im infraroten Spektralbereich zustande kommt und mit steigender Schichtdicke zu tieferen Frequenzen verschoben werden. Das Zusammenspiel beider Komponenten führt im Infraroten zu einer Anomalie der dielektrischen Konstante mit einem Maximum am Metall-Isolator-Übergang. Die Ergebnisse wurden mit den Vorhersagen aus Effektiv-Medium-Approximationen und aus der Perkolationstheorie verglichen.

Optical reflection measurements of thin Au films at and around the percolation threshold (film thickness 3 to 10 nm) are performed in an extremely broad spectral range up to 35,000 cm-1. Combining spectroscopic ellipsometry, Fourier-transform infrared spectroscopy and dc measurements, the dielectric properties of the films can be described over the whole frequency range by Kramers-Kronig consistent effective dielectric functions. The optical conductivity of the films is dominated by two contributions: a Drude component starting at the percolation threshold in the low frequency range and by plasmons in the near-infrared region, which shift down in frequency with increasing film thickness. The interplay of both components leads to a dielectric anomaly in the infrared region with a maximum of the dielectric constant at the metal-insulator transition. The results are compared with predictions from effective medium approximations and percolation theory.