Películas Delgadas de Óxido de Zinc Dopado con Aluminio: Propiedades Ópticas Infrarrojas y Diseño Absorción Cercana a Perfecta

Antecedentes

Plasmónica y metamateriales han impulsado avances materiales índice negativo, imagen sub-difracción y camuflaje. Tradicionalmente, metales nobles dominaron estos campos, pero semiconductores fuertemente dopados —como óxido zinc dopado aluminio (AZO) y nitruro titanio (TiN)— ofrecen concentraciones portadores sintonizables y menores pérdidas infrarrojo. El ancho gap banda AZO y alta solubilidad dopante lo hacen plataforma plasmónica versátil, especialmente combinado con ZnO en estructuras superred epitaxiales que reducen pérdida interfacial.

Mientras comportamiento visible e infrarrojo cercano AZO ha sido extensivamente explorado, sus propiedades infrarrojas permanecen menos entendidas. Trabajos previos usando simulaciones modelo recombinación proveyeron vista general pero carecieron velocidad y conveniencia. Aquí, extraemos permitividad AZO 210–5000 nm vía análisis punto-por-punto SE, método que depende solo simulaciones SE primarias y entrega tanto velocidad como precisión. Diseccionamos dependencia espesor bandas visible e infrarroja, examinamos desplazamientos gap banda, y descubrimos que frecuencia plasma efectiva desaparece para películas ultradelgadas (<25 nm) en infrarrojo, excluyendo aplicaciones metamaterial a estas escalas. Finalmente, empleamos simulaciones diferencia finitas dominio tiempo (FDTD) diseñar arrays cilindros huecos sobre multilayers AZO/ZnO, logrando absorción banda ancha cercana-perfecta entre 2 y 5 µm.

Métodos

Deposición capas atómicas (ALD) ofrece control espesor sub-nanómetro y excelente conformidad, ideal para crecimiento películas delgadas plasmónicas. Depositamos AZO sustratos p-Si(100) alternando dietilzinc (DEZ) y trimetilaluminio (TMA) con agua desionizada (H₂O) en reactor ALD Picosun a 190 °C. Un ciclo AZO individual comprende 14 sub-ciclos ZnO seguidos uno sub-ciclo Al-O, cada sub-ciclo consistiendo pulso precursor 0,1 s, purga N₂ 5 s, pulso H₂O 0,1 s, purga N₂ 5 s. Reacción ALD ZnO es:

con reacciones superficiales:

y

Dopaje Al sigue ciclo similar (Zn:Al = 14:1) con:

y

Variamos espesor película ajustando conteos ciclos ALD (150, 300, 450 ciclos). Caracterización estructural y óptica emplearon elipsómetro espectroscópico J.A. Woollam (ángulo incidencia 65°, rangos longitud onda 210–1000, 1000–2000, 2000–5000 nm) y espectroscopía infrarroja transformada Fourier (FTIR) para reflexión y transmisión. Difracción rayos X (DRX) evaluó cristalinidad.

Resultados y Discusiones

Propiedades Ópticas Películas AZO Visible e Infrarrojo Banda Ancha

Aprovechando baja rugosidad interfacial ALD, modelamos AZO como monocapa. Parámetros elipsométricos (Ψ, Δ) extraídos SE, y índice refracción (n), coeficiente extinción (k), y espesor (d) ajustados minimizando error cuadrático medio (RMSE):

con RMSE definido como:

Para ZnO usamos ajuste Forouhi-Bloomer (F-B) rango 300–800 nm, pero carácter metálico AZO necesitó modelo Cauchy (400–800 nm) y modelo Drude-Lorentz (1500–5000 nm). Análisis punto-por-punto produjo n y k espectrales completos (ver Fig. 1). En visible (210–800 nm), AZO comporta semiconductor: k ≈ 0, y n muestra dependencia espesor impulsada efectos interfaciales —películas más delgadas exhiben permitividad reducida por acoplamiento sustrato. En infrarrojo (800–5000 nm), k aumenta bruscamente, indicando absorción aumentada y comportamiento metálico; n permanece dependiente espesor pero ahora refleja efectos cristalinidad.

Índice refracción (n) y coeficiente extinción (k) simulados vía análisis punto-por-punto.

Determinamos gap banda (E_g) extrapolando (αE)² → 0, donde α = 4πk/λ:

Extrapolación lineal (Fig. 2) muestra desplazamiento azul E_g 3,62 a 3,72 eV con aumento espesor, atribuible a apantallamiento electrón-libre que suprime absorción excitónica.

Determinación gap banda vía extrapolación (αE)².

Análisis DRX (Fig. 3) indica cristalinidad AZO mejora con espesor: película 450-ciclos muestra pico wurtzita (100) pronunciado, mientras películas más delgadas son menos cristalinas. Cristalinidad reducida correlaciona con mayores defectos red, menor concentración portadores, y gap banda desplazado azul.

Patrones DRX películas AZO varios espesores.

Convirtiendo n y k a permitividad compleja (ε_r = n² − k² + i·2nk) (Fig. 4) revela parte real ε_r se vuelve negativa en frecuencia plasma. A medida espesor aumenta, frecuencia plasma desplaza azul, y para películas 150-ciclos cruce cero desaparece en infrarrojo, dejando ε_r estrictamente positiva. Consecuentemente, AZO ultradelgado no puede funcionar como metamaterial índice negativo en infrarrojo.

Partes real e imaginaria ε_r películas AZO diferentes espesores.

Medidas reflexión, absorción, transmisión (Fig. 5) corroboran análisis SE: reflexión mayor películas más gruesas SiO₂, mientras picos absorción desplazan con espesor infrarrojo. Datos FTIR (Fig. 5d) confirman películas AZO más gruesas suprimen transmisión entre 2500 y 5000 nm.

Reflexión, absorción, transmitancia películas AZO sustratos Si y SiO₂.

Absorción Cercana-Perfecta vía Arrays Cilindros Huecos en Multicapas AZO/ZnO

Bajo coeficiente extinción AZO (k ≈ 0,2–5 µm) comparado metales nobles (Au, Ag) lo hace absorbedor atractivo infrarrojo (Fig. 6).

Coeficiente extinción k AZO, Au, Ag across 0,2–5 µm.

Basándonos previas pilas 32-capas AZO/ZnO (~1,92 µm, cada 60 nm) exhibieron absorción cercana-perfecta ~1,9 µm, usamos constantes ópticas derivadas SE y simulaciones FDTD diseñar arrays cilindros huecos ensanchan absorción 2–5 µm. Estructura (Fig. 7) comprende array periódico cilindros huecos (radio R, período P) grabados en multicapa.

Geometría array cilindros huecos en multilayers AZO/ZnO.

Dos configuraciones optimizadas: Array A (R = 0,6 µm, P = 1,8 µm) y Array B (R = 0,8 µm, P = 2,0 µm). Array B entrega >90 % absorción 2,04–5 µm, mientras Array A destaca infrarrojo cercano. Parte real negativa permitividad AZO permite matching fase ondas reflejadas, y pila multicapa bajo-k mejora absorción banda ancha.

Espectros reflexión y absorción Arrays A y B.

Probamos Array A tres sustratos (hueco, Si, cuarzo). A pesar índices refracción variables (n = 1–3,56), absorción permaneció largely inalterada (Fig. 9), demostrando independencia absorbedor sustrato.

Absorción Array A diferentes sustratos; inserto muestra n y k sustrato.

Conclusiones

Nuestro análisis integral demuestra que espesor película AZO modula permitividad tanto regímenes visible infrarrojo vía efectos interfaciales y cristalinidad dependiente espesor. Resultante desplazamiento azul frecuencia plasma efectiva —y su desaparición bajo 25 nm— destaca límites AZO ultradelgado uso metamaterial. Aprovechando estas propiedades, fabricamos absorbedor 32-capas AZO/ZnO con arrays cilindros huecos que logra absorción cercana-perfecta 2–5 µm, independiente sustrato. Estos hallazgos avanzan entendimiento comportamiento óptico AZO y abren vías dispositivos plasmónicos infrarrojo.