Aluminium-gedopeerde zinkoxide dunne films: Infrarood optische eigenschappen en nabij-perfecte absorptie ontwerp

Achtergrond

Plasmonica en metamaterialen hebben vooruitgang gedreven in negatieve-index materialen, sub-diffractie imaging en cloaking. Traditioneel hebben edele metalen deze velddomeinen gedomineerd, maar zwaar gedopeerde halfgeleiders—zoals aluminium-gedopeerde zinkoxide (AZO) en titaniumnitride (TiN)—bieden afstelbare dragerconcentraties en lagere verliezen in het infrarood. AZO's brede bandkloof en hoge dopant oplosbaarheid maken het een veelzijdig plasmonisch platform, vooral gecombineerd met ZnO in epitaxiale superrooster structuren die interfaceverliezen reduceren.

Terwijl het zichtbare en nabij-infrarood gedrag van AZO uitvoerig is verkend, blijven de infrarood eigenschappen minder begrepen. Eerder werk met recombinatie-model simulaties leverde een algemeen beeld maar had geen snelheid en gemak. Hier extraheren we AZO permittiviteit van 210 tot 5000 nm via punt-voor-punt SE analyse, een methode die alleen afhangt van primaire SE simulaties en zowel snelheid als precisie levert. We ontbinden de dikte-afhankelijkheid in zichtbare en infrarood banden, onderzoeken bandkloofverschuivingen en ontdekken dat de effectieve plasmafrequentie verdwijnt voor ultradunne (<25 nm) films in het infrarood, wat metamateriaaltoepassingen op deze schaal uitsluit. Ten slotte gebruiken we finite-difference time-domain (FDTD) simulaties om void-cilinder arrays op AZO/ZnO multilagen te ontwerpen, wat breedband nabij-perfecte absorptie tussen 2 en 5 µm bereikt.

Methodes

Atoomlaagdepositie (ALD) biedt sub-nanometer diktecontrole en uitstekende conformiteit, wat het ideaal maakt voor plasmonische dunne-film groei. We deponeerden AZO op p-type Si(100) substraten door afwisselend diethylzink (DEZ) en trimethylaluminium (TMA) met gedemineraliseerd water (H₂O) in een Picosun ALD reactor bij 190 °C. Een enkele AZO cyclus omvat 14 ZnO sub-cycli gevolgd door één Al-O sub-cyclus, elk sub-cyclus bestaande uit een 0,1 s precursorpuls, een 5 s N₂ purge, een 0,1 s H₂O puls en een 5 s N₂ purge. De ZnO ALD reactie is:

met oppervlaktereacties:

en

Al doping volgt een vergelijkbare cyclus (Zn:Al = 14:1) met:

en

We varieerden de filmdikte door ALD cycli aan te passen (150, 300 en 450 cycli). Structurele en optische karakterisering werd uitgevoerd met een J.A. Woollam spectroscopische ellipsometer (invalshoek 65°, golflengtebereiken 210–1000, 1000–2000 en 2000–5000 nm) en Fourier transformatie infrarood spectroscopie (FTIR) voor reflectie en transmissie. Röntgendiffractie (XRD) beoordeelde kristalliniteit.

Resultaten en Discussies

Optische Eigenschappen van AZO Films in Zichtbaar en Infrarood Breedband

Door ALD's lage interface ruwheid te benutten, modeleerden we AZO als een monolag. Ellipsometrische parameters (Ψ, Δ) werden uit SE geëxtraheerd, en de brekingsindex (n), extintiecoëfficiënt (k) en dikte (d) werden gefit door de root-mean-square error (RMSE) te minimaliseren:

met RMSE gedefinieerd als:

Voor ZnO gebruikten we een Forouhi-Bloomer (F-B) fit in het 300–800 nm bereik, maar AZO's metallische karakter vereiste een Cauchy model (400–800 nm) en een Drude-Lorentz model (1500–5000 nm). Punt-voor-punt analyse leverde de volledige spectrale n en k op (zie Fig. 1). In het zichtbare (210–800 nm) gedraagt AZO zich als een halfgeleider: k ≈ 0, en n toont dikte-afhankelijkheid gedreven door interface-effecten—dunnere films vertonen verminderde permittiviteit door substraatkoppeling. In het infrarood (800–5000 nm) stijgt k scherp, wat verhoogde absorptie en metallisch gedrag aangeeft; n blijft dikte-afhankelijk maar weerspiegelt nu kristalliniteitseffecten.

Brekingsindex (n) en extintiecoëfficiënt (k) gesimuleerd via punt-voor-punt analyse.

We bepaalden de bandkloof (E_g) door (αE)² → 0 te extrapoleren, waar α = 4πk/λ:

Lineaire extrapolatie (Fig. 2) toont een blauwverschuiving van E_g van 3,62 tot 3,72 eV met toenemende dikte, toeschrijfbaar aan vrije-elektron scherming die excitonische absorptie onderdrukt.

Bandkloofbepaling via (αE)² extrapolatie.

XRD analyse (Fig. 3) wijst erop dat AZO kristalliniteit verbetert met dikte: de 450-cyclus film toont een uitgesproken (100) wurtziet piek, dunner films zijn minder kristallijn. Verminderde kristalliniteit correleert met hogere roosterdefecten, lagere dragerconcentratie en een blauwverschuivende bandkloof.

XRD patronen voor AZO films van variërende dikte.

Omzetten van n en k naar complexe permittiviteit (ε_r = n² − k² + i·2nk) (Fig. 4) onthult dat het reële deel van ε_r negatief wordt bij de plasmafrequentie. Naarmate de dikte toeneemt, verschuift de plasmafrequentie blauwwaarts, en voor 150-cyclus films verdwijnt de nul-doorgang in het infrarood, waardoor ε_r strikt positief blijft. Gevolgelijk kan ultradun AZO niet functioneren als negatieve-index metamateriaal in het infrarood.

Reële en imaginaire delen van ε_r voor AZO films van verschillende diktes.

Reflectie, absorptie en transmissie metingen (Fig. 5) bevestigen de SE analyse: reflectie is hoger voor dikke films op SiO₂, terwijl absorptiepieken verschuiven met dikte in het infrarood. FTIR data (Fig. 5d) bevestigen dat dikke AZO films transmissie tussen 2500 en 5000 nm onderdrukken.

Reflectie, absorptie en transmissie van AZO films op Si en SiO₂ substraten.

Nabij-Perfecte Absorptie via Void-Cilinder Arrays op AZO/ZnO Multilagen

AZO's lage extintiecoëfficiënt (k ≈ 0,2–5 µm) vergeleken met edele metalen (Au, Ag) maakt het een aantrekkelijke absorber in het infrarood (Fig. 6).

Extintiecoëfficiënt k van AZO, Au en Ag over 0,2–5 µm.

Opbouwend op eerdere 32-laag AZO/ZnO stacks (≈1,92 µm, elk 60 nm) die nabij-perfecte absorptie vertoonden bij ~1,9 µm, gebruikten we SE-afgeleide optische constanten en FDTD simulaties om void-cilinder arrays te ontwerpen die absorptie verbreden tot 2–5 µm. De structuur (Fig. 7) omvat een periodieke array van cylindrische gaten (straal R, periode P) geëtst in de multilag.

Void-cilinder array geometrie op AZO/ZnO multilagen.

Twee configuraties werden geoptimaliseerd: Array A (R = 0,6 µm, P = 1,8 µm) en Array B (R = 0,8 µm, P = 2,0 µm). Array B levert >90 % absorptie over 2,04–5 µm, terwijl Array A uitblinkt in het nabij-infrarood. Het negatieve reële deel van AZO's permittiviteit maakt fasematching van gereflecteerde golven mogelijk, en de lage-k multilag stack verbetert breedband absorptie.

Reflectie en absorptiespectra voor Arrays A en B.

We testten Array A op drie substraten (void, Si, kwarts). Ondanks variërende brekingsindices (n = 1–3,56), bleef absorptie grotendeels ongewijzigd (Fig. 9), wat de absorber's substraatonafhankelijkheid demonstreert.

Absorptie van Array A op verschillende substraten; inset toont substraat n en k.

Conclusies

Onze uitgebreide analyse demonstreert dat AZO filmdikte permittiviteit moduleert in zowel zichtbare als infrarood regimes via interface-effecten en dikte-afhankelijke kristalliniteit. De resulterende blauwverschuiving van de effectieve plasmafrequentie—en het verdwijnen ervan onder 25 nm—benadrukt de grenzen van ultradun AZO voor metamateriaalgebruik. Door deze eigenschappen te benutten, fabriceren we een 32-laag AZO/ZnO absorber met void-cilinder arrays die nabij-perfecte absorptie bereikt van 2 tot 5 µm, onafhankelijk van substraat. Deze bevindingen maken de kennis van AZO's optische gedrag vorderen en openen wegen voor infrarood plasmonische apparaten.