Optische eigenschappen van met Al-gedoteerde ZnO-films in het infraroodgebied en hun absorptietoepassingen

Resultaten en discussies

Optische eigenschappen van AZO-films in zichtbare en infraroodbreedband

Vanwege de lage grensvlakruwheid door ALD, werd het monolaagmodel gebruikt om de AZO-dunne films te beschrijven [10]. Dan is de brekingsindex n , extinctiecoëfficiënt k en dikte d van de resulterende AZO-dunne films werden verkregen door de SE-meting. Tijdens de SE-meting [25, 26] werd het elliptisch gepolariseerde licht, dat de informatie van het materiaal bevatte nadat het werd gereflecteerd door AZO-films, gedetecteerd door de ellipsometer. De golflengte van het invallende licht lag binnen het bereik van 210-5000 nm. Er zijn twee meetparameters verkregen uit het gepolariseerde licht, d.w.z. de amplitudeverhouding (Ψ ) en faseverschuiving (Δ ), die werden gedefinieerd door de ellipsometrische verhouding ρ als [27]:

Hier r _p en r _s zijn de complexe reflectiecoëfficiënten van gepolariseerd licht respectievelijk evenwijdig aan en loodrecht op het invalsvlak. Voor SE-aanpassingen wordt de root mean square error (RMSE) geminimaliseerd om een ​​nauwkeurige aanpassing te verkrijgen:

Hier x is het aantal datapunten in de spectra, y is het aantal variabele parameters in het model, en "exp" en "cal" vertegenwoordigen respectievelijk de experimentele en de berekende gegevens [28]. In het vorige rapport [22] hebben we het Forouhi-Bloomer (F-B) dispersiemodel gebruikt om ellipsometrieparameters van ZnO bij 300-800 nm te passen. Vanwege de metallische eigenschappen van AZO is het F-B-model echter niet geschikt voor AZO-films in het hele spectrum van 200 tot 5000 nm, wat alleen een model is voor een enkele elektronovergang [29]. Gezien de transparantie en metalliciteit van AZO, is het Cauchy-model geschikt voor het spectrum van 400-800 nm en het Drude-Lorentz-model geschikt voor het infrarood (1500-5000 nm) [7, 17]. We hebben de dikte en initiële parameters van n . verkregen en k van AZO-dunne films van de laagste RMSE van de simulatiegegevens zoals weergegeven in tabel 1, waar de SEM-resultaten consistent waren met de SE-simulatie. Verder werd een puntsgewijze analyse [20] gebruikt om de n en k op de hele golflengte, en de resultaten worden weergegeven in Fig. 1. Er zijn twee regio's van n en k , die worden gescheiden door het SE-werkbereik om te schakelen. Ook kunnen de aanpasresultaten in twee gebieden worden verdeeld, d.w.z. het zichtbare gebied en het infrarode gebied. In het zichtbare gebied (210–800 nm) is de waarde van n en k van AZO was bij benadering ZnO voor het lage percentage Al. De n en k in het zichtbare gebied geven reguliere halfgeleidereigenschappen aan. De waarde van k is bijna nul in het zichtbare bereik en n is dikteafhankelijk. Hier werd de dikte-afhankelijkheid verklaard door het interface-effect [22], dat een belangrijke rol speelt in dunne films. Voor het siliciumsubstraat resulteert het interface-effect in de lagere permittiviteit van AZO-dunnere films in het zichtbare bereik. De trend van n en k werd veranderd in het infraroodgebied (800-5000 nm). Met het toenemen van de golflengte, k verhoogd van nul, wat het enorme verschil is tussen AZO en ZnO. De toename van k duidde op de toename van de filmabsorptie en de AZO-film kan niet worden gebruikt als transparant diëlektrisch materiaal in infrarood. Er zijn metallische eigenschappen van AZO in het infraroodgebied, dat niet alleen een halfgeleider is, maar ook een metaalmateriaal in het infraroodgebied. Bovendien gaf een Hall-meting aan dat de bulkcarrierconcentratie van AZO ongeveer 1,9 × 10 ²¹ was. /cm ³ . De hoge concentratie verwijst naar het bestaan ​​van vrije elektronen, vanwege Al-dotering. In infrarood werd een tegenovergestelde dikteafhankelijkheid getoond. Het mechanisme van de dikteafhankelijkheid is niet hetzelfde in het infraroodgebied. Het interface-effect blijft, maar de impact is niet langer belangrijk vanwege de kleinere verschillen in permittiviteit tussen AZO en interfacelaag, terwijl de permittiviteit van AZO laag is in het infraroodgebied. Er wordt aangenomen dat de permittiviteit van AZO ook werd beïnvloed door de dikteafhankelijke kristalliniteit, die de polarisatie van AZO-dunne films beïnvloedde.

Brekingsindex (n ) en extinctiecoëfficiënt (k ) werden gesimuleerd door puntsgewijze analyse met behulp van de gegevens van SE-metingen

Verder is een lineaire extrapolatie naar (αE ) ² = 0 werd gebruikt aan de absorptierand om de bandafstand van AZO-films in figuur 2 te verkrijgen, waarbij α is de absorptiecoëfficiënt (α = 4πk /λ ) en E is de fotonenergie [28]. De hoge energie van de absorptierand van AZO is het gevolg van het vrije-elektronenafschermingseffect [16], dat de excitonische absorptie onderdrukt. De tabel in Fig. 2 geeft een blauwe verschuiving van de band gap (bijv.) van AZO aan van 3,62 naar 3,72 eV.

De band gap (bijv.) van AZO-films door lineaire extrapolatie, waarbij α is de absorptiecoëfficiënt (α = 4πk /λ ) en E is de foton-energie

Bovendien moest XRD de kristalliniteit van AZO-films meten. Figuur 3 geeft de XRD-patronen van de AZO-dunne films met verschillende diktes. In vergelijking met ZnO-films zijn AZO-films niet erg kristallografisch als gevolg van de Al-doping. De voor de hand liggende kristalpiek is (100) in het monster met 450 cycli, wat de hexagonale wurtzietfase van polykristallijn ZnO voorstelt [30, 31]. Thermisch gloeien heeft wel een effect op de kristallijne eigenschap, en dit is elders besproken [7, 9, 10, 22, 32]. De dikte-afhankelijke kristalliniteit kan worden gebruikt om de SE-resultaten te verklaren. De hogere kristalliniteit betekent hoe minder roosterdefecten en filmspanning en -rek, wat bijdraagt ​​aan de blauwe verschuiving van de bandafstand, hogere dragerconcentratie en polarisatie.

XRD patronen van de AZO dunne films met verschillende diktes

Concluderend, de AZO-films waren niet sterk gekristalliseerd en de kristalliniteit was afhankelijk van de dikte, wat resulteerde in een blauwe verschuiving van de bandafstand en de verandering in permittiviteit.

Aan de andere kant hebben we n . veranderd en k in permittiviteit ε _r (\( \overset{\sim }{\varepsilon_r}={n}^2-{k}^2+i\ast 2 nk \)), en de echt denkbeeldige delen van ε _r worden geïllustreerd in Fig. 4. Het reële deel van ε _r neemt af naarmate de dikte toeneemt wanneer het denkbeeldige deel van ε _r neemt toe. In specifieke termen, het reële deel van ε _r is negatief in sommige regio's van het spectrum, en het punt waarop het reële deel van epsilon trends naar nul bestaat. In overeenstemming met de metallische eigenschappen van metaal beschreven door het Drude-model, wordt de frequentie wanneer het reële deel van epsilon naar nul gaat, plasmafrequentie genoemd. Tabel 2 illustreert dat de effectieve plasmafrequentie van AZO een blauwe verschuiving heeft wanneer de dikte toeneemt. Bovendien bestaat voor het monster met een lagere dikte, AZO-films met 150 cycli, het nulpunt niet in het infraroodgebied. In het kort, dikte beïnvloedt de permittiviteit van AZO, en het reële deel van epsilon van AZO ultradunne films is altijd positief. Met andere woorden, AZO-films kunnen niet worden beschouwd als een metamateriaal met een ultradunne dikte, waarbij het negatieve reële deel van epsilon van belang is in plasmonische toepassingen [12].

Het reële en denkbeeldige deel van epsilon van AZO-films met verschillende diktes, berekend uit n en k (\( \overset{\sim }{\varepsilon_r}={n}^2-{k}^2+i\ast 2 nk \))

Figuur 5 illustreert de reflectie, absorptie en transmissie van onderzochte AZO-films. Figuur 5a, b illustreren de reflectie van AZO-films op Si en SiO₂ respectievelijk ondergronden. Er werd gevonden dat er een hogere reflectie is op de hogere dikte van AZO op SiO₂ substraat. De lage reflectie van AZO op SiO₂ substraat in 1000-1500 nm resulteert uit lage n en k in Fig. 1. De absorptiegegevens in Fig. 5c werden berekend uit de reflectie en transmissie. Er wordt aangenomen dat de som van absorptie, reflectie en transmissie gelijk is aan 1. De absorptiecurven in figuur 5c illustreren dat de absorptie van AZO-films dikte-afhankelijk is in het infraroodgebied, wat consistent is met de SE-berekening en analyse . De transmissiecurven in figuur 5d werden gemeten met FTIR. Tussen 2500 en 5000 nm (gelijk aan 4000–2000 cm ^− 1 ), is er een lagere transmissie in de dikkere AZO-films.

een Reflectie van AZO-films op Si-substraat; b Reflectie, c absorptie, en d transmissie van AZO-films op SiO₂ substraat

Bijna perfecte absorptietoepassing door lege cilinderarrays op alternatieve AZO-lagen

AZO wordt meestal gebruikt in plaats van edele metalen als een verliesarm plasmonisch materiaal in het infraroodgebied [12], maar het is ook passend om een ​​hoog absorberend middel in infrarood breedband te bouwen gezien de relatief lagere uitdovingscoëfficiënt, zoals aangegeven in Fig. 6.

Extinctiecoëfficiënt k van AZO, Au en Ag varieert van 0,2 tot 5,0 μm [33, 34]

In ons eerdere werk [11] werden 32 lagen AZO/ZnO-alternatieve films door ALD op silicium- of kwartssubstraat afgezet. De dikte van 32-laags alternatieve films is ongeveer 1,92 m, waarbij elke laag 60 nm dik is. De alternatieve lagen werden gebruikt om absorptiestructuren te ontwerpen vanwege de bijna perfecte absorptie bij ~ -1,9 μm. We namen de parameters van AZO-dunne films uit de SE-analyse en die van ZnO-dunne films uit ons eerdere werk, en gebruikten vervolgens FDTD-oplossingen als simulatiesoftware om de absorptie van de arrays met verschillende parameters te simuleren. Afbeelding 7 illustreert de absorptiestructuur die is gebouwd door lege cilinderarrays op alternatieve AZO/ZnO-lagen. De straal van de lege cilinderarrays is R μm en de punt is P m.

De structuur van lege cilinderarrays op alternatieve AZO/ZnO-lagen. De straal van de lege cilinderarrays is R μm, en de punt is P m. De dikte van 32 lagen alternatieve AZO/ZnO-films is ongeveer 1,92 μm, waarbij elke laag 60 nm dik is

Als resultaat presenteert figuur 8 twee soorten arrays voor hoge absorptie en lage reflectie in een bereik tussen 2 en 5 μm. De specifieke gegevens worden weergegeven in tabellen 3 en 4. Voor array A is de straal 0,6 m en de periode 1,8 m; voor array B is de straal 0,8 m en de periode 2,0 m. Array B heeft een breedbandabsorptie tussen 2,04 en 5 μm, waarbij de absorptie meer dan 0,9 is. Array A heeft een betere absorptie dan array B in het nabij-infrarood. Het negatieve reële deel van de permittiviteit van AZO zorgt ervoor dat de afwisselende lagen overeenkomen met de fase van al het gereflecteerde licht, terwijl de periodieke arrays en lage permittiviteit bijdragen aan de infrarode breedband.

Reflectie en absorptie van array A en array B

Afbeelding 9 geeft de absorptie weer van absorber A op verschillende substraten in het infraroodgebied. De leegte, silicium en kwarts zijn allemaal transparant in het infraroodgebied. Terwijl de brekingsindex n verandert van 1 naar 3,56, de absorptie verandert weinig, wat de haalbaarheid en toepasbaarheid van de structuur aantoont.

Absorptie van array A met verschillende substraten. De invoegtabel toont de n en k van respectievelijk drie substraten