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微纳光电功能薄膜与器件
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    研究基于透明导电氧化物的近红外表面等离子体复合材料。制备具备良好的可调谐等离子体性能的ITO-Au 、ITO-Ag复合薄膜以及ITO-TiN-ITO 三明治结构等多种复合薄膜及微纳结构。结合多种分析方法综合评估 ITO 复合结构在近红外区域作为小损耗表面等离子体应用的潜在前景。
    研究基于重掺杂IV族半导体的新一代中红外等离子体材料。利用分子束外延设备,结合新型三步外延法,制备低线位错密度、低表面粗糙度、高掺杂浓度的n型硅基锗外延层。结合多种分析方法探究重掺杂薄膜及其微结构的中红外表面等离子体激元性能。
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    对于基于透明导电氧化物的近红外表面等离子体复合材料,结合椭圆偏振、Krestchmann 棱镜耦合及FDTD仿真等技术,表征复合薄膜表面等离极化激元(SPP)应用及微纳结构局域表面等离子体共振(LSPR) 应用,评估 ITO复合结构在近红外区域作为小损耗表面等离子体应用的潜在前景。
 

图1 ITO/Au/ITO三层结构及其可见-近红外透过率光谱


    采用脉冲激光沉积技术在玻璃基板上沉积不同夹层厚度的ITO-Au-ITO三层复合薄膜,薄膜有效载体浓度高达3.26×1022cm−3。与Au相比,三层结构在近红外区域损耗较低,具有巨大的近红外区等离子体应用潜力[1]。
 

图2 Ag-ITO复合薄膜结构及其介电常数色散曲线、棱镜耦合激发SPP


    采用磁控溅射系统地制备了银-铟锡氧化物(Ag-ITO)共溅射薄膜。通过调节银原子比实现Ag- ITO复合薄膜在近红外区域介电常数近零(epsilon-near-zero)点及等离子体特性高度可调。采用变角度棱镜耦合,激发光通信波长下的表面等离子体激元极化[2]。

图3 ITO−TiN−ITO三明治夹层结构及其介电常数色散曲线、棱镜耦合激发SPP 


    进一步研究ITO−TiN−ITO三明治夹层结构作为近红外(NIR)等离子体材料。夹层结构导电性随TiN厚度增加而提高。Kretschmann棱镜耦合装置证实在电信窗口 (1480−1570nm) 激发结构表面等离子体极化(SPP)。与金属嵌体复合结构相比,TiN三明治结构在电信波长处等离子体耦合明显增强,证实夹层结构在各种器件中应用于近红外等离子体材料的可行性[3]。
研究基于重掺杂IV族半导体材料。利用分子束外延设备,结合新型三步外延法,制备低线位错密度(~1×106cm-3)、低表面粗糙度(~0.6 nm)、高掺杂浓度(1.5×1020cm-3)的n型硅基锗外延层。结合傅里叶变换红外光谱、霍尔测试、二次离子质谱、有限元等多种分析方法,探究重掺杂薄膜及其微结构的中红外表面等离子体基元性能,获得了高等离子体频率(~2400 cm-1)、低有效损耗率 (~1013S-1),并与CMOS工艺相兼容的新一代中红外等离子体材料。

 

图4  基于高质量低高温锗虚拟衬底,改变掺杂流量和衬底温度,使重掺杂锗的自由载流子密度高达1.5×1020cm-3, 迁移率为224cm2/V/S。


图5 重掺杂锗的等离子体频率在473-2400cm-1的中红外波段自由调谐。

 

图6 新型重掺杂锗相比传统贵金属金,其场限制在2200cm-1处增强了两个数量级;随等离子体频率增加,有效损耗率及SPPs传输损耗递减。


相关论文:

[1] X. Fang, C. L. Mak, J. Dai, K. Li, H. Ye, and C. W. Leung, "ITO/Au/ITO sandwich structure for near-infrared plasmonics," ACS Appl Mater Interfaces, vol. 6, pp. 15743-52, Sep 24 2014.
[2] C. Chen, Z. Wang, K. Wu, and H. Ye, "Tunable near-infrared epsilon-near-zero and plasmonic properties of Ag-ITO co-sputtered composite films," Sci Technol Adv Mater, vol. 19, pp. 174-184, 2018.
[3] C. Chen, Z. Wang, K. Wu, H. Chong, Z. Xu, and H. Ye, "ITO-TiN-ITO Sandwiches for Near-Infrared Plasmonic Materials," ACS Appl Mater Interfaces, vol. 10, pp. 14886-14893, May 2 2018.