Optoelectron. Semicond. Tech. 58, 167-177 (2023)

S.O. Kravchenko, E.G. Manoilov, I.V. Kruglenko, I.M. Krishchenko, B.A. Snopok


Thin-film metal coatings are an important element of optoelectronic devices. In particular, such metal coatings are a defining component of the sensitive layer of various sensors in which the specified surface morphology of the metal coating determines the necessary optoelectronic properties, as is observed, for example, in the case of substrates for SERS (Enhanced Surface Raman Scattering) or SPR (Surface Plasmon Resonance). The highest technological interest for optoelectronic applications is caused by thin silver films due to their well-known remarkable properties, in particular, due to the high value of the extinction coefficient in such a film, as well as due to the presence of an intense narrow absorption band of surface plasmon resonance. In the presented publication original approaches to surface treatment of thin silver films with etching solutions containing compounds characterized by specific oxidative-reductive and complexative property as to silver have been considered. Comparative analysis of the obtained results concerning changes in mass and topography of silver electrodes allowed grounding the mixture choice for microstructural profiling (etching solution M) and nanopolishing (etching solution N) of thin silver film. The physicochemical mechanisms which cause the observed processes have been considered. The etching nature is shown to depend on the oxidation level of redox element involved to the etching solution. Also, it depends on the presence of water-soluble complexation ligands in the solution. The conception that etching composition contained component with intermediate oxidation level in redox element exposes a "softer" effect on the etching topography in thin silver film has been proposed. The considered condition determines the possibility for chemical nanopolishing of thin silver film. The study in surface structural changes has been an integral part of nanoscale research, therefore, the obtained results have a practical value in the nanostructure formation which is the main part in modern acoustics and optoelectronics.

Keywords:  silver film, etching solution, quartz microbalance, oxidative level, nanopolishing.


1. Krishchenko I., Kravchenko S., Kruglenko, I., Manoilov E., Snopok B. 3D Porous Plasmonic Nanoarchitectures for SERS-Based Chemical Sensing. Eng. Proc. 2022. 27, №1. P. 41(1-7).

2. Savchenko A., Kashuba E., Kashuba V., Snopok B. Imaging of plasmid DNA microarrays by scattering light under surface plasmon resonance conditions. Sensor Letters. 2008. 6, №5. P. 705-713.

3. Snopok S. Biosensing under Surface Plasmon Resonance Conditions. Chapter 19 in Handbook: 21st Century Nanoscience, 1st Edition. Boca Raton: CRC Press. 2020. 464 p.

4. Kruglenko I.V., Snopok B. A., Shirshov Y. M., Venger E.F. Digital aroma technology for chemical sensing: temporal chemical images of complex mixtures. Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 2000. 3, №4. P. 529-541.

5. Encyclopedia of Applied Physics. Edited by G. L. Trigg and E. H. Immergut. - New York: VCH. 1992. 4. 583 p.

6. Encyclopedia of Applied Physics. Edited by G. L. Trigg and E. H. Immergut. - New York: VCH. 1997. 18. 647 p.

7. Optical properties of metal clusters. Edited by U. Kreibig and M. Vollmer. Verlag: Springer. 1995. 535 p.

8. Jain P. K., X. Huang, I. H. El-Sayed M. A. Review of Some Interesting Surface Plasmon Resonance-enhanced Properties of Noble Metal Nanoparticles and Their Applications to Biosystems. Plasmonics. 2007. 107, №2. P. 107–118.

9. Krishchenko I.M., Manoilov Е.G., Kravchenko S.A., Snopok B.А. Resonant Optical Phenomena in Heterogeneous Plasmon Nanostructures of Noble Metals: A Review. Theor Exp Chem. 2020. 56. P. 67–110.

10. Snopok B., Laroussi A., Cafolla C., Voïtchovsky K., Snopok T., Mirsky V. Gold surface cleaning by etching polishing: Optimization of polycrystalline film topography and surface functionality for biosensing. Surfaces and Interfaces. 2021. 22. P. 100818.

11. Perry K.E., Mass W. Silver cleaning composition. 1969. US Patent 3,468,804.

12. Novakovic J., Vassiliou P., Georgiza E. Electrochemical Cleaning of Artificially Tarnished Silver. Int. J. Electrochem. Sci. 2013. 8, №5. P. 7223-7232.

13. Kravchenko S.A., Kruglenko I.V., Snopok B.A. Effect of the topography of silver films on the structure of surface ensembles of 11-mercaptoundecanol. Theor Exp Chem. 2009. 45. P. 108–113.

14. Geissler M., Wolf H., Stutz R., Delamarche E., Grummt U.-W., Michel B., Bietsch A. Fabrication of Metal Nanowires Using Microcontact Printing. Langmuir. 2003. 19, №15. P. 6301-6311.

15. Jain A., Kodas T. T., Hampden-Smith M. J. Thermal dry-etching of copper using hydrogen peroxide and hexafluoroacetylacetone. Thin Solid Films. 1995. 269, №1-2. P. 51-56.

16. Kuo Y, Lee S. Room-temperature copper etching based on a plasma–copper reaction. Appl. Phys. Lett. 2001. 78. P. 1002–1004.

17. Spencer E. G., Schmidt P. H. Ion-Beam Techniques for Device Fabrication. J. Vac. Sci. Technol. 1971. 8. P. S52–S70.

18. Xia Y., Kim E., Whitesides G. M. Microcontact Printing of Alkanethiols on Silver and Its Application in Microfabrication. J. Electrochem. Soc. 1996. 143. P. 1070 – 1078.

19. Harnchana G., Prompong P., Chuchaat T.,Sanong E. Rapid fabrication of silver microplates under an oxidative etching environment consisting of O2/Cl, NH4OH/H2O2, and H2O2. CrystEngComm. 2015. 17. P. 5530 – 5537.

20. Sauerbrey G. The Use of Quartz Oscillators for Weighing Thin Layers and for Microweighing. Zeitschrift für Physik. 1959. 155, №2. P. 206-222.

21. Kravchenko S., Snopok B. “Vanishing mass” in the Sauerbrey world: quartz crystal microbalance study of self-assembled monolayers based on a tripod-branched structure with tuneable molecular flexibility. Analyst. 2020. 145. P. 656-666.

22. Gwyddion. Free data analysis software:

23. Yuehua Cao, Ying-Sing Li. Constructing Surface Roughness of Silver for Surface-Enhanced Raman Scattering by Self-Assembled Monolayers and Selective Etching Process. Applied Spectroscopy. 1999. 53, №5. P. 540-546.

24. Cyanide management. Leading practice sustainable development program for the mining industry. Edited by Commonwealth of Australia. Canberra. 2008. 107 p.

С.О. Кравченко, Е.Г. Манойлов, І.В. Кругленко, І.М. Кріщенко, Б.А. Снопок


Тонкоплівкові металічні покриття є важливим елементом оптоелектронних пристроїв. Зокрема, такі металічні покриття є визначальним компонентом чутливого шару різноманітних сенсорів, в яких визначена поверхнева морфологія покриття металу детермінує необхідні оптоелектронні властивості, як це спостерігається, наприклад, у випадку підкладок для ППКР (підсиленого поверхневого комбінаційного розсіювання) або ППР (поверхневого плазмонного резонансу). Найбільший технологічний інтерес для оптоелектронних застосувань викликають до себе тонкошарові плівки срібла через свої відомі визначені властивості, зокрема, через високу величину коефіцієнта екстинкції (поглинання) такої плівки, а також через наявність інтенсивної вузької смуги поглинання поверхневого плазмонного резонансу. В представленій публікації розглянуто оригінальні підходи до обробки поверхні тонких плівок срібла травильними розчинами, що містять сполуки, які характеризуються визначеними окисно-відновлювальними та комплексоутворювальними властивостями по відношенню до срібла. Порівняльний аналіз отриманих результатів зміни маси та топографії срібних електродів перетворювачів кварцового мікробалансу дозволив обґрунтувати вибір сумішей для мікроструктурного профілювання (Травильний розчин М) та нанополірування (Травильний розчин N) тонких шарів срібла. Були розглянуті фізико-хімічні механізми процесів та показано, що характер травлення залежить від величин ступеня окислення редокс-елементів, що входять до складу сполук, присутніх у травильному розчині, а також наявності в ньому водорозчинних комплексоутворюючих лігандів. Запропоновано концепцію, згідно з якою травильні композиції, які містять компоненти, в яких редокс-елемент характеризується проміжною величиною ступеня окислення, «м’якше» впливають на топографію витравлювання тонких плівок срібла, що обумовлює можливість їх хімічного полірування. Таке вивчення зміни структурних особливостей поверхні є невід’ємною частиною нанорозмірних досліджень, а отримані результати виявляють практичну цінність при формуванні наноструктурованих архітектур елементів, що є складовими частинами систем акусто- та оптоелектроніки.

Ключові слова:  поверхня срібла, травильний розчин, кварцовий мікробаланс, ступінь окислення, нанополірування.