Nanoscale thickness-dependent dielectric function for Au thin films

Abstract

A escala nanométrica los materiales metálicos (nanopartículas, nanohilos y películas delgadas) juegan un rol relevante en diferentes aplicaciones. Las aplicaciones se basan en las propiedades ópticas a la nano escala, que dependen del conocimiento de las propiedades de la función dieléctrica con el tamaño. En este trabajo, se determina una expresión analítica para la función dieléctrica en función de la frecuencia y el espesor de películas nanometricas de Au, considerando las contribuciones de electrones libres y ligados. Para la contribución de los electrones libres se utilizó el modelo de Drude, que permitió determinar los parámetros de Drude dependientes del espesor de la película. En cuanto a la contribución de los electrones ligados, su contribución para longitudes de onda cortas es la misma para todos los espesores analizados y puede establecerse igual a la contribución del volumen. Finalmente la función dieléctrica se reescribe analíticamente, en términos de la función dieléctrica de volumen más dos términos correctivos dependientes del espesor de la pelicula.

Metallic materials at the nanoscale (nanoparticles, nanowires and thin films) have relevant roles in different applications. Applications are based on the nanoscale’s optical properties, which are based on knowledge of the size-dependent dielectric function properties. In this proposal, an analytical expression for the dielectric function as a function of frequency and thickness of Au nanometric films is derived, considering the contributions of free and bound electrons. For free electron contribution, Drude model was used to determine the model parameters dependent on film thickness. As for the bound electron, its contribution for short wavelengths is the same for all thicknesses analyzed and can be set equal to the bulk contribution. Finally the dielectric function is rewritten analytically, in terms of the bulk dielectric function plus two corrective terms dependent on the film thickness.