Propiedades ópticas de películas de ZnO dopado con Al en la región infrarroja y sus aplicaciones de absorción

Resultados y discusiones

Propiedades ópticas de las películas AZO en banda ancha visible e infrarroja

Debido a la baja rugosidad interfacial de ALD, se utilizó el modelo monocapa para describir las películas delgadas AZO [10]. Entonces, el índice de refracción n , coeficiente de extinción k y espesor d de las películas delgadas de AZO resultantes se obtuvieron mediante la medición de SE. Durante la medición SE [25, 26], el elipsómetro detectó la luz polarizada elípticamente, que transportaba la información del material después de ser reflejada por las películas AZO. La longitud de onda de la luz incidente estaba dentro del rango de 210 a 5000 nm. Hay dos parámetros de medición adquiridos de la luz polarizada, es decir, la relación de amplitud ( Ψ ) y cambio de fase ( Δ ), que fueron definidos por la relación elipsométrica ρ como [27]:

Aquí r _p y r _s son los coeficientes de reflexión complejos de la luz polarizada paralelos y perpendiculares al plano de incidencia, respectivamente. Para los accesorios SE, el error cuadrático medio (RMSE) se minimiza para obtener un ajuste de precisión:

Aquí x es el número de puntos de datos en los espectros, y es el número de parámetros variables en el modelo, y "exp" y "cal" representan los datos experimentales y calculados, respectivamente [28]. En el informe anterior [22], utilizamos el modelo de dispersión de Forouhi-Bloomer (F-B) para ajustar los parámetros de elipsometría de ZnO a 300-800 nm. Sin embargo, debido a las propiedades metálicas de AZO, el modelo F-B no es adecuado para películas de AZO en todo el espectro de 200 a 5000 nm, que es un modelo solo para la transición de un solo electrón [29]. Considerando la transparencia y la metalicidad de AZO, el modelo de Cauchy es apropiado para el espectro de 400-800 nm y el modelo de Drude-Lorentz es apropiado para el infrarrojo (1500-5000 nm) [7, 17]. Obtuvimos el espesor y los parámetros iniciales de n y k de películas delgadas AZO del RMSE más bajo de los datos de simulación como se muestra en la Tabla 1, donde los resultados de SEM fueron consistentes con la simulación de SE. Además, se utilizó un análisis punto por punto [20] para calcular el n y k en toda la longitud de onda, y los resultados se presentan en la Fig. 1. Hay dos regiones de n y k , que se separan cambiando el rango de trabajo SE. Además, los resultados del ajuste se pueden dividir en dos regiones, es decir, la región visible y la región infrarroja. En la región visible (210-800 nm), el valor de n y k de AZO fue aproximado a ZnO para el bajo porcentaje de Al. El n y k en la región visible indican propiedades de semiconductores regulares. El valor de k está cerca de cero en el rango visible y n depende del espesor. Aquí, la dependencia del espesor se explica por el efecto de interfaz [22], que juega un papel importante en las películas delgadas. Para el sustrato de silicio, el efecto de interfaz da como resultado la permitividad más baja de las películas más delgadas de AZO en el rango visible. Sin embargo, la tendencia de n y k se modificó en la región infrarroja (800–5000 nm). Con el aumento de la longitud de onda, k aumentado desde cero, que es la gran diferencia entre AZO y ZnO. El aumento de k indicó el aumento de la absorción de la película, y la película AZO no se puede utilizar como material dieléctrico transparente en infrarrojos. Hay propiedades metálicas de AZO en la región infrarroja, que no solo es un semiconductor sino también un material metálico en la región infrarroja. Además, una medición de Hall indicó que la concentración de AZO en el granelero era de aproximadamente 1,9 × 10 ²¹ / cm ³ . La alta concentración se refiere a la existencia de electrones libres, debido al dopante Al. En el infrarrojo se mostró una dependencia opuesta del espesor. El mecanismo de dependencia del espesor no es el mismo en la región infrarroja. El efecto de interfaz permanece, pero el impacto ya no es importante debido a las diferencias más estrechas en la permitividad entre AZO y la capa de interfaz, mientras que la permitividad de AZO es baja en la región infrarroja. Se supone que la permitividad de AZO también se vio influenciada por la cristalinidad dependiente del espesor, que influyó en la polarización de las películas delgadas de AZO.

Índice de refracción ( n ) y coeficiente de extinción ( k ) se simularon mediante análisis punto por punto utilizando los datos de las mediciones de SE

Además, una extrapolación lineal a ( αE ) ² =0 se utilizó en el borde de absorción para obtener la banda prohibida de las películas AZO en la Fig.2, donde α es el coeficiente de absorción ( α =4 πk / λ ) y E es la energía de los fotones [28]. La alta energía del borde de absorción de AZO resulta del efecto de apantallamiento de electrones libres [16], que suprime la absorción excitónica. La tabla en la Fig. 2 indica un cambio azul de la banda prohibida (Ej.) De AZO de 3.62 a 3.72 eV.

La banda prohibida (Ej.) De las películas AZO por extrapolación lineal, donde α es el coeficiente de absorción ( α =4 πk / λ ) y E es la energía de los fotones

Además, se suponía que XRD medía la cristalinidad de las películas AZO. La Figura 3 muestra los patrones XRD de las películas delgadas AZO con diferentes espesores. En comparación con las películas de ZnO, las películas AZO no son muy cristalográficas, como resultado del dopaje con Al. El pico de cristal obvio es (100) en la muestra con 450 ciclos, que representa la fase de wurtzita hexagonal del ZnO policristalino [30, 31]. El recocido térmico tiene un efecto sobre la propiedad cristalina, y esto se ha discutido en otra parte [7, 9, 10, 22, 32]. La cristalinidad dependiente del espesor se puede utilizar para explicar los resultados de SE. La cristalinidad más alta significa menos defectos de la red y menos tensión y deformación de la película, lo que contribuye al cambio al azul de la banda prohibida, a una mayor concentración de portadores y a la polarización.

Patrones XRD de las películas delgadas AZO con diferentes espesores

En conclusión, las películas de AZO no estaban muy cristalizadas y la cristalinidad dependía del grosor, lo que resultó en un cambio al azul de la banda prohibida y el cambio en la permitividad.

Por otro lado, cambiamos n y k en permitividad ε _r (\ (\ overset {\ sim} {\ varepsilon_r} ={n} ^ 2- {k} ^ 2 + i \ ast 2 nk \)), y las partes imaginarias reales de ε _r se ilustran en la Fig. 4. La parte real de ε _r disminuye con el aumento del espesor cuando la parte imaginaria de ε _r aumenta. En términos específicos, la parte real de ε _r es negativo en algunas regiones del espectro, y el punto en el que la parte real de épsilon tiende a cero existe. De acuerdo con las propiedades metálicas del metal descritas por el modelo Drude, la frecuencia cuando la parte real de épsilon tiende a cero se llama frecuencia de plasma. La Tabla 2 ilustra que la frecuencia de plasma efectiva de AZO tiene un desplazamiento hacia el azul cuando aumenta el espesor. Además, para la muestra de menor espesor, películas AZO de 150 ciclos, el punto cero no existe en la región infrarroja. En resumen, el espesor influye en la permitividad de AZO, y la parte real de épsilon de las películas ultrafinas de AZO es siempre positiva. En otras palabras, las películas AZO no pueden considerarse un metamaterial de espesor ultrafino, donde la parte real negativa de épsilon es importante en aplicaciones plasmónicas [12].

La parte real e imaginaria de épsilon de películas AZO con diferentes espesores, que se calculó a partir de n y k (\ (\ overset {\ sim} {\ varepsilon_r} ={n} ^ 2- {k} ^ 2 + i \ ast 2 nk \))

La Figura 5 ilustra la reflexión, absorción y transmisión de las películas de AZO investigadas. Las figuras 5a, b ilustran el reflejo de las películas de AZO en Si y SiO ₂ sustratos, respectivamente. Se encontró que hay una mayor reflexión en el mayor espesor de AZO sobre SiO ₂ sustrato. La baja reflexión de AZO sobre SiO ₂ sustrato en 1000-1500 nm resulta de una baja n y k en la Fig. 1. Los datos de absorción en la Fig. 5c se calcularon a partir de la reflexión y la transmisión. Se asume que la suma de absorción, reflexión y transmisión es igual a 1. Las curvas de absorción en la Fig. 5c ilustran que la absorción de películas de AZO depende del espesor en la región infrarroja, lo cual es consistente con el cálculo y análisis de SE. . Las curvas de transmisión de la Fig. 5d se midieron mediante FTIR. Entre 2500 y 5000 nm (igual a 4000-2000 cm ^{- 1} ), hay menor transmisión en las películas AZO más gruesas.

un Reflexión de películas de AZO sobre sustrato de Si; b Reflexión, c absorción y d transmitancia de películas AZO sobre SiO ₂ sustrato

Aplicación de absorción casi perfecta mediante matrices de cilindros vacíos en capas alternativas AZO

El AZO se usa generalmente en lugar de metales nobles como material plasmónico de baja pérdida en la región infrarroja [12], pero también es apropiado construir un absorbente alto en banda ancha infrarroja en vista de su coeficiente de extinción comparativamente más bajo, como se indica en la Fig. 6.

El coeficiente de extinción k de AZO, Au y Ag varía de 0,2 a 5,0 μm [33, 34]

En nuestro trabajo anterior [11], ALD depositaron 32 capas de películas alternativas AZO / ZnO sobre un sustrato de silicio o cuarzo. El grosor de las películas alternativas de 32 capas es de aproximadamente 1,92 μm, y cada capa tiene un grosor de 60 nm. Las capas alternativas se utilizaron para diseñar estructuras de absorción debido a una absorción casi perfecta a ~ 1,9 μm. Tomamos los parámetros de las películas delgadas de AZO del análisis SE y los de las películas delgadas de ZnO de nuestro trabajo anterior, luego usamos soluciones FDTD como software de simulación para simular la absorción de las matrices con diferentes parámetros. La Figura 7 ilustra la estructura del absorbedor construida por arreglos de cilindros vacíos en capas alternativas AZO / ZnO. El radio de las matrices de cilindros vacíos es R μm y el período es P μm.

La estructura de matrices de cilindros vacíos en capas alternativas AZO / ZnO. El radio de las matrices de cilindros vacíos es R μm, y el período es P μm. El grosor de 32 capas de películas alternativas AZO / ZnO es de aproximadamente 1,92 μm, cada capa tiene un grosor de 60 nm

Como resultado, la Fig. 8 presenta dos tipos de matrices para alta absorción y baja reflexión en un rango de entre 2 y 5 μm. Los datos específicos se presentan en las Tablas 3 y 4. Para la matriz A, el radio es de 0,6 μm y el período es de 1,8 μm; para la matriz B, el radio es de 0,8 μm y el período es de 2,0 μm. Array B tiene una absorción de banda ancha de entre 2,04 y 5 μm, en la que la absorción es superior a 0,9. La matriz A tiene una mejor absorción que la matriz B en el infrarrojo cercano. La parte real negativa de la permitividad de AZO permite que las capas alternas coincidan con la fase de toda la luz reflejada, mientras que las matrices periódicas y la baja permitividad contribuyen a la banda ancha infrarroja.

Reflexión y absorción de la matriz A y la matriz B

La figura 9 indica la absorción del absorbente A sobre diferentes sustratos en la región infrarroja. El vacío, el silicio y el cuarzo son todos transparentes en la región infrarroja. Mientras que el índice de refracción n cambia de 1 a 3,56, la absorción cambia poco, lo que demuestra la viabilidad y aplicabilidad de la estructura.

Absorción de la matriz A con diferentes sustratos. La tabla de inserción muestra la n y k de tres sustratos, respectivamente

Conclusiones

En resumen, examinamos las propiedades dependientes del espesor de las películas AZO y diseñamos un absorbente de banda ancha infrarroja AZO. El espesor de las películas de AZO influye en la permitividad tanto en la región visible como en la infrarroja. Hay dos mecanismos físicos diferentes, el efecto de interfaz y la cristalinidad dependiente del grosor, que conducen a la permitividad dependiente del grosor. Además, hay un desplazamiento azul para la frecuencia de plasma efectiva de AZO con un aumento de espesor, que no existe con un espesor bajo (<25 nm) en la región infrarroja. Estas dos propiedades dependientes del grosor demuestran un nuevo método que ajusta el grosor para modular las propiedades de las películas delgadas de AZO e indican que la película ultrafina de AZO no se puede utilizar como metamaterial. Basándonos en las propiedades de permitividad de AZO, diseñamos matrices infrarrojas casi perfectas utilizando 32 capas alternativas de AZO y ZnO. La parte real negativa de la permitividad de AZO permite que las capas alternativas coincidan con la fase de toda la luz reflejada, mientras que las matrices periódicas y la baja permitividad contribuyen a la banda ancha infrarroja. Además, el absorbente AZO demuestra viabilidad y aplicabilidad en diferentes sustratos. Se cree que estas investigaciones contribuyen a una mejor comprensión de las propiedades ópticas de las películas delgadas de AZO en la región visible e infrarroja para aplicaciones ópticas y plasmónicas y que demuestran la posibilidad y viabilidad del absorbente de AZO a 2-5 μm.

Abreviaturas

ALD:

Deposición de la capa atómica

AZO:

Óxido de zinc dopado con aluminio

F-B:

Forouhi-Bloomer

FDTD:

Dominio de tiempo de diferencia finita

FTIR:

Espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier

RMSE:

Error cuadrático medio

SE:

Elipsometría espectroscópica

SiO ₂ :

Dióxido de silicio

XRD:

Difracción de rayos X

ZnO:

Óxido de zinc

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