Алюминиевые-допированные оксид цинка тонкие пленки: инфракрасные оптические свойства и дизайн почти идеального поглотителя

Введение

Плазмоника и метаматериалы продвинули достижения в негативных-индекс материалах, субдифракционном изображении и маскировке. Традиционно благородные металлы доминировали в этих областях, но сильно легированные полупроводники — такие как алюминиевые-допированные оксид цинка (AZO) и нитрид титана (TiN) — предлагают настраиваемые концентрации носителей и меньшие потери в инфракрасном. Широкая запрещенная зона AZO и высокая растворимость допата делают его универсальной плазмонической платформой, особенно в комбинации с ZnO в эпитаксиальных сверхрешетчатых структурах, снижающих интерфейсные потери.

В то время как видимое и ближнее ИК поведение AZO обширно изучено, его инфракрасные свойства остаются менее понятыми. Предыдущие работы, использующие симуляции рекомбинационной модели, давали общий обзор, но лишались скорости и удобства. Здесь мы извлекаем проницаемость AZO от 210 до 5000 нм через точечный SE анализ, метод, зависящий только от первичных SE симуляций и дающий как скорость, так и точность. Мы диссектируем зависимость от толщины в видимом и ИК полосах, изучаем сдвиги запрещенной зоны и обнаруживаем, что эффективная плазменная частота исчезает для ультратонких (<25 нм) пленок в ИК, исключая метаматериальные применения в этих масштабах. Наконец, мы используем метод конечных разностей во временной области (FDTD) для проектирования массивов пустотелых цилиндров на AZO/ZnO многослоях, достигая широкополосного почти идеального поглощения между 2 и 5 мкм.

Методы

Атомно-слойное осаждение (ALD) предлагает суб-нанометровый контроль толщины и отличную конформность, делая его идеальным для роста плазмонических тонких пленок. Мы осаждали AZO на p-тип Si(100) подложках, чередуя диэтилцинк (DEZ) и триметилалюминий (TMA) с деионизированной водой (H₂O) в Picosun ALD реакторе при 190 °C. Один AZO цикл включает 14 ZnO под-циклов, за которыми следует один Al-O под-цикл, каждый под-цикл состоит из 0,1 с импульса предшественника, 5 с N₂ пуража, 0,1 с H₂O импульса и 5 с N₂ пуража. Реакция ZnO ALD:

с поверхностными реакциями:

и

Al допирование следует похожему циклу (Zn:Al = 14:1) с:

и

Мы варировали толщину пленки, корректируя счетчики ALD циклов (150, 300 и 450 циклов). Структурная и оптическая характеристика использовали J.A. Woollam спектроскопический эллипсометр (угол падения 65°, диапазоны длин волн 210–1000, 1000–2000 и 2000–5000 нм) и Фурье-трансформ инфракрасную спектроскопию (FTIR) для отражения и прохождения. Рентгеновская дифракция (XRD) оценивала кристалличность.

Результаты и обсуждение

Оптические свойства AZO пленок в видимом и инфракрасном широкополосном диапазоне

Используя низкую интерфейсную шероховатость ALD, мы моделировали AZO как монослой. Эллипсометрические параметры (Ψ, Δ) извлекли из SE, и показатель преломления (n), коэффициент затухания (k) и толщина (d) подгоняли минимизацией квадратичной средней ошибки (RMSE):

с RMSE определен как:

Для ZnO мы использовали Форухи-Блумера (F-B) подгонку в диапазоне 300–800 нм, но металлический характер AZO потребовал Коши модель (400–800 нм) и Дрюд-Лоренца модель (1500–5000 нм). Точечный анализ дал полные спектральные n и k (см. Рис. 1). В видимом (210–800 нм) AZO ведет себя как полупроводник: k ≈ 0, и n показывает зависимость от толщины, движимую интерфейсными эффектами — более тонкие пленки демонстрируют сниженную проницаемость из-за сцепления с подложкой. В инфракрасном (800–5000 нм) k резко возрастает, указывая на увеличенное поглощение и металлическое поведение; n остается толщино-зависимым, но теперь отражает эффекты кристалличности.

Показатель преломления (n) и коэффициент затухания (k), смоделированные точечным анализом.

Мы определили запрещенную зону (E_g) экстраполяцией (αE)² → 0, где α = 4πk/λ:

Линейная экстраполяция (Рис. 2) показывает синий сдвиг E_g от 3,62 до 3,72 эВ с увеличением толщины, приписываемый свободно-электронному скринированию, подавляющему экситонное поглощение.

Определение запрещенной зоны через экстраполяцию (αE)².

XRD анализ (Рис. 3) указывает, что кристалличность AZO улучшается с толщиной: 450-цикл пленка показывает выраженный (100) wurtzite пик, в то время как более тонкие пленки менее кристалличны. Сниженная кристалличность коррелирует с более высокими решетчатыми дефектами, более низкой концентрацией носителей и синим сдвигом запрещенной зоны.

XRD паттерны для AZO пленок разной толщины.

Конвертируя n и k в комплексную проницаемость (ε_r = n² − k² + i·2nk) (Рис. 4) раскрывает, что реальная часть ε_r становится отрицательной на плазменной частоте. По мере увеличения толщины плазменная частота сине-сдвигается, и для 150-цикл пленок нулевое пересечение исчезает в ИК, оставляя ε_r строго положительной. Следовательно, ультратонкий AZO не может функционировать как негативный-индекс метаматериал в ИК.

Реальная и мнимая части ε_r для AZO пленок разной толщины.

Измерения отражения, поглощения и прохождения (Рис. 5) корроборируют SE анализ: отражение выше для более толстых пленок на SiO₂, в то время как пики поглощения сдвигаются с толщиной в ИК. FTIR данные (Рис. 5d) подтверждают, что более толстые AZO пленки подавляют прохождение между 2500 и 5000 нм.

Отражение, поглощение и прохождение AZO пленок на Si и SiO₂ подложках.

Почти идеальное поглощение через массивы пустотелых цилиндров на AZO/ZnO многослоях

Низкий коэффициент затухания AZO (k ≈ 0,2–5 мкм) по сравнению с благородными металлами (Au, Ag) делает его привлекательным поглотителем в ИК (Рис. 6).

Коэффициент затухания k AZO, Au и Ag по 0,2–5 мкм.

Строя на предыдущих 32-слойных AZO/ZnO стеках (≈1,92 мкм, каждый 60 нм), демонстрировавших почти идеальное поглощение при ~1,9 мкм, мы использовали SE-полученные оптические константы и FDTD симуляции для проектирования массивов пустотелых цилиндров, расширяющих поглощение до 2–5 мкм. Структура (Рис. 7) включает периодический массив цилиндрических пустот (радиус R, период P), вытравленных в многослой.

Геометрия массива пустотелых цилиндров на AZO/ZnO многослоях.

Две конфигурации оптимизированы: Массив A (R = 0,6 мкм, P = 1,8 мкм) и Массив B (R = 0,8 мкм, P = 2,0 мкм). Массив B доставляет >90 % поглощение по 2,04–5 мкм, в то время как Массив A превосходит в ближнем ИК. Отрицательная реальная часть проницаемости AZO позволяет фазовую согласованность отраженных волн, и низко-k многослойный стек усиливает широкополосное поглощение.

Спектры отражения и поглощения для Массивов A и B.

Мы протестировали Массив А на трех подложках (пустота, Si, кварц). Несмотря на варьирующие показатели преломления (n = 1–3,56), поглощение оставалось в основном неизменным (Рис. 9), демонстрируя независимость поглотителя от подложки.

Поглощение Массива А на разных подложках; вставка показывает подложку n и k.

Заключение

Наш комплексный анализ демонстрирует, что толщина AZO пленки модулирует проницаемость в видимом и инфракрасном режимах через интерфейсные эффекты и толщино-зависимую кристалличность. Полученный синий сдвиг эффективной плазменной частоты — и ее исчезновение ниже 25 нм — подсвечивает пределы ультратонкого AZO для метаматериального использования. Используя эти свойства, мы изготовили 32-слойный AZO/ZnO поглотитель с массивами пустотелых цилиндров, достигающий почти идеального поглощения от 2 до 5 мкм, независимого от подложки. Эти находки продвигают понимание оптического поведения AZO и открывают пути для инфракрасных плазмонических устройств.