需要具有高质量单晶的超低损耗金属薄膜作为纳米光子学和量子信息处理应用的理想表面。由于光学和近红外(近红外)频率的低损耗，银是迄今为止最优选的材料。在最近发表在科学报告上的一项研究中，Ilya A. Rodionov和德国和俄罗斯的跨学科研究团队报告了一种两步法电子束蒸发原子级光滑的单晶金属薄膜。他们提出了一种方法，在原子水平上建立薄膜生长动力学的热力学控制，以沉积最先进的金属薄膜。
研究人员沉积了35至100纳米厚的单晶银薄膜，其表面粗糙度低于100皮米(pm)，理论上有限的光学损耗，形成超高Q纳米光子器件。他们通过实验估计了材料纯度，材料晶界，表面粗糙度和结晶度对金属薄膜光学性质的影响。该团队展示了银，金和铝薄膜单晶生长的基本两步法，为纳米光子学，生物技术和超导量子技术开辟了新的可能性。研究小组打算采用该方法合成其他极低损耗的单晶金属薄膜。
具有用于近场操作，放大和亚波长积分的等离子体效应的光电器件可以开辟纳米光子学，量子光学和量子信息的新前沿。然而，金属中的欧姆损耗对于开发各种有用的等离子体装置是一个相当大的挑战。材料科学家致力于研究金属薄膜性能对开发高性能材料平台的影响。单晶平台和纳米级结构改变可以通过消除材料引起的散射损失来防止这个问题。而银是最着名的等离子体金属之一在光学和近红外频率下，金属对单晶薄膜生长具有挑战性。
以前关于单晶银膜生长方法的报道依赖于分子束外延(MBE)或物理气相沉积(PVD)，原子光滑度和显着降低的光学损耗。在本研究中，Rodionov等人。使用了两步PVD增长方法以前由同一研究团队开发，使用高真空电子束蒸发器获得原子级光滑的单晶金属薄膜。该方法在原子光滑表面上促进了高结晶度和纯度，具有独特的光学性质和热力学稳定性。与MBE技术相比，该工艺灵活，廉价且快速，具有高沉积速率。该团队可以使用各种金属复制该方法，包括银，金和铝，广泛用于量子光学和量子信息。
在材料开发的两步沉积过程中，Rodionov等人。首先在350摄氏度的基板上生长出一个含有应变二维银岛(原子特征)的晶种，其原子级平坦的顶面(AFT 2-D岛)。根据电子生长模型，银岛是一种受限制的电子气到二维量子阱(限制电子的能量势垒)。然后，研究人员在相同的真空循环中将基板冷却至25℃以防止去湿效应。他们将AFT 2-D种子上的银蒸发，形成连续的单晶膜，完成。随后，它们在较高温度(320-480℃)下对银膜进行退火，这改善了所得膜的晶体结构和表面粗糙度。科学家将他们的沉积工艺命名为SCULL-用于“单晶连续超平滑低损耗低成本”薄膜生产。
研究小组使用SCULL开发了材料并比较了六种代表性薄膜的结果，其中包括三种不同厚度(35nm，70nm和100nm)的SCULL单晶薄膜和三种100nm厚的多晶薄膜。科学家们使用高分辨率广角X射线衍射(XRD)来观察具有最低缺陷水平的高质量薄膜。然后使用高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)，研究小组证明了银膜的单晶性质。他们使用电子背散射衍射(EBSD)来分析畴结构并提取单晶和多晶薄膜的平均晶粒尺寸。