Polycrystalline indium films in the percolation threshold regime: Time correlation between electric conduction and optical properties with film morphology

Abstract

Polycrystalline indium films have been deposited at room temperature by electron beam evaporation on amorphous quartz substrates. Once deposited, electrical resistance and specular reflection of the films, for wavelengths between 250 and 920 nm, has been measured in situ. For these as-deposited films, these parameters decrease with time for several minutes until equilibrium is reached. At this state, additional specular and diffuse reflection, and direct transmission measurements were carried out ex situ, as well as atomic force microscope characterizations of the films' surface. The specular reflection spectra are inverted to obtain the intrinsic scattering and absorption coefficients including their time variations. These parameters are successfully correlated with corresponding volumetric scattering and absorption cross sections of submicron- and nano-sized indium particles calculated from Mie theory. The decrease of electrical resistance with time is explained in terms of an increase of the average size of some of the nano-sized grains due to mass transfer from large submicron-sized grains, a manifestation of an inverse Ostwald ripening process. The decrease of specular reflection is related to the decoupling of the surface plasmons oscillating in neighboring nano-sized particles due to the growth of some of them.

Se han depositado películas de indio policristalino a temperatura ambiente mediante evaporación por haz de electrones sobre sustratos de cuarzo amorfo. Una vez depositadas, se ha medido in situ la resistencia eléctrica y la reflexión especular de las películas, para longitudes de onda entre 250 y 920 nm. Para estas películas depositadas, estos parámetros disminuyen con el tiempo durante varios minutos hasta que se alcanza el equilibrio. En este estado, se llevaron a cabo ex situ mediciones adicionales de reflexión especular y difusa y transmisión directa, así como caracterizaciones de microscopio de fuerza atómica de la superficie de las películas. Los espectros de reflexión especular se invierten para obtener los coeficientes intrínsecos de dispersión y absorción, incluidas sus variaciones de tiempo. Estos parámetros se correlacionan con éxito con las correspondientes secciones transversales de absorción y dispersión volumétrica de partículas de indio de tamaño submicrónico y nanométrico calculadas a partir de la teoría de Mie. La disminución de la resistencia eléctrica con el tiempo se explica en términos de un aumento del tamaño promedio de algunos de los granos de tamaño nanométrico debido a la transferencia de masa de granos grandes de tamaño submicrónico, una manifestación de un proceso de maduración de Ostwald inverso. La disminución de la reflexión especular está relacionada con el desacoplamiento de los plasmones superficiales que oscilan en nanopartículas vecinas debido al crecimiento de algunas de ellas.