Tipis Film Oksida Seng Doped Aluminium: Sifat Optik Inframerah dan Desain Penyerap Hampir Sempurna
Abstrak
Menggunakan analisis titik-demi-titik data elipsometri spektroskopi (SE), kami dengan cepat dan akurat mengukur sifat optik tipis film oksida seng doped aluminium (AZO). Studi kami mengungkapkan dua mekanisme yang berbeda—efek antarmuka dan kristalinitas—yang mengatur permisitivitas bergantung pada ketebalan baik pada wilayah visible maupun inframerah. Kami mengamati geser biru frekusi plasma efektif dengan peningkatan ketebalan, dan menunjukkan bahwa film AZO yang lebih tipis dari 25 nm tidak memiliki regime permisitivitas negatif pada inframerah, sehingga mencegah penggunaan mereka sebagai metamaterial indeks negatif. Memanfaatkan wawasan permisitivitas ini, kami merancang penyerap hampir sempurna yang beroperasi dari 2 hingga 5 µm dengan mengukir multilayer AZO/ZnO dan memperkenalkan array silinder rongga. Penyerap mempertahankan kinerja tinggi di seluruh berbagai substrat.
Latar Belakang
Plasmonik dan metamaterial telah mendorong kemajuan dalam material indeks negatif, citra difraksi bawah, dan pelindungan. Secara tradisional, logam mulia telah mendominasi bidang-bidang ini, tetapi semikonduktor yang sangat di-dope—seperti oksida seng doped aluminium (AZO) dan nitrida titanium (TiN)—menawarkan konsentrasi penguat yang dapat disesuaikan dan kerugian lebih rendah pada inframerah. AZO’s wide band gap and high dopant solubility make it a versatile plasmonic platform, especially when combined with ZnO in epitaxial superlattice structures that reduce interfacial loss.
Sementara perilaku visible dan inframerah dekat AZO telah difungsikan secara luas, properti inframerahnya masih kurang dipahami. Pekerjaan sebelumnya menggunakan simulasi model rekombinasi memberikan gambaran umum tetapi kurang cepat dan praktis. Di sini, kami mengekstrak permisitivitas AZO dari 210 hingga 5000 nm melalui analisis SE titik-demi-titik, metode yang hanya bergantung pada simulasi SE primer dan memberikan kecepatan serta presisi. Kami membedah ketergantungan ketebalan pada pita visible dan inframerah, memeriksa geser gap energi, dan mengungkapkan bahwa frekusi plasma efektif menghilang untuk film ultra-tipis (<25 nm) pada inframerah, sehingga mencegah aplikasi metamaterial pada skala ini. Akhirnya, kami menggunakan simulasi FDTD untuk merancang array silinder rongga pada multilayer AZO/ZnO, mencapai serapan hampir sempurna broadband antara 2 dan 5 µm.
Metode
Penyetaran lapis atom (ALD) menawarkan kontrol ketebalan sub-nanometer dan konformitas yang luar biasa, menjadikannya ideal untuk pertumbuhan tipis film plasmonik. Kami menyetor AZO pada substrat Si(100) tipe p dengan bergantian dietil seng (DEZ) dan trimetil aluminium (TMA) dengan air deion (H₂O) dalam reaktor ALD Picosun pada 190 °C. Siklus AZO tunggal terdiri dari 14 sub-siklus ZnO diikuti oleh satu sub-siklus Al-O, setiap sub-siklus terdiri dari pulsa prekursor 0,1 s, purga N₂ 5 s, pulsa H₂O 0,1 s, dan purga N₂ 5 s. Reaksi ALD ZnO adalah:
Kami memvariasi ketebalan film dengan menyesuaikan jumlah siklus ALD (150, 300, dan 450 siklus). Karakterisasi struktural dan optik menggunakan elipsometer spektroskopi J.A. Woollam (sudut insiden 65°, rentang panjang gelombang 210–1000, 1000–2000, dan 2000–5000 nm) dan spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR) untuk refleksi dan transmisi. Difraksi X-ray (XRD) menilai kristalinitas.
Hasil dan Pembahasan
Sifat Optik Film AZO pada Pita Visible dan Inframerah Broadband
Memanfaatkan kekasaran antarmuka rendah ALD, kami memodelkan AZO sebagai monolayer. Parameter elipsometri (Ψ, Δ) diekstrak dari SE, dan indeks bias (n), koefisien punah (k), dan ketebalan (d) difit dengan meminimalkan error root-mean-square (RMSE):
Untuk ZnO kami menggunakan fit Forouhi-Bloomer (F-B) pada rentang 300–800 nm, tetapi karakter logam AZO memerlukan model Cauchy (400–800 nm) dan model Drude-Lorentz (1500–5000 nm). Analisis titik-demi-titik menghasilkan n dan k spektrum penuh (lihat Gambar 1). Pada visible (210–800 nm), AZO berperilaku sebagai semikonduktor: k ≈ 0, dan n menunjukkan ketergantungan ketebalan yang didorong oleh efek antarmuka—film yang lebih tipis menunjukkan permisitivitas yang lebih rendah karena coupling substrat. Pada inframerah (800–5000 nm), k naik tajam, yang menunjukkan penyerapan yang meningkat dan perilaku logam; n tetap bergantung pada ketebalan tetapi sekarang mencerminkan efek kristalinitas.
Indeks bias (n) dan koefisien punah (k) yang disimulasikan melalui analisis titik-demi-titik.
Kami menentukan gap energi (E_g) dengan ekstrapolasi (αE)² → 0, di mana α = 4πk/λ:
$$\alpha = \frac{4\pi k}{\lambda}$$
Ekstrapolasi linier (Gambar 2) menunjukkan geser biru E_g dari 3,62 hingga 3,72 eV dengan peningkatan ketebalan, yang dapat diturunkan dari saringan elektron bebas yang menekan absorpsi eksiton.
Penentuan gap energi melalui ekstrapolasi (αE)².
Analisis XRD (Gambar 3) menunjukkan bahwa kristalinitas AZO meningkat dengan ketebalan: film 450-siklus menunjukkan puncak wurtzite (100) yang mencolok, sementara film yang lebih tipis kurang berkristal. Kristalinitas yang berkurang berkaitan dengan kekurangan jaringan yang lebih tinggi, konsentrasi penguat yang lebih rendah, dan gap energi yang bergeser biru.
Pola XRD untuk film AZO dengan ketebalan bervariasi.
Mengonversi n dan k ke permisitivitas kompleks (ε_r = n² − k² + i·2nk) (Gambar 4) mengungkapkan bahwa bagian nyata dari ε_r menjadi negatif pada frekusi plasma. Seiring dengan peningkatan ketebalan, frekusi plasma bergeser biru, dan untuk film 150-siklus, persilangan nol menghilang pada inframerah, sehingga ε_r tetap positif. Akibatnya, AZO ultra-tipis tidak dapat berfungsi sebagai metamaterial indeks negatif pada inframerah.
Bagian nyata dan imajiner dari ε_r untuk film AZO dengan ketebalan berbeda.
Pengukuran refleksi, serapan, dan transmisi (Gambar 5) menguatkan analisis SE: refleksi lebih tinggi untuk film yang lebih tebal pada SiO₂, sementara puncak serapan bergeser dengan ketebalan pada inframerah. Data FTIR (Gambar 5d) mengonfirmasi bahwa film AZO yang lebih tebal menekan transmisi antara 2500 dan 5000 nm.
Refleksi, serapan, dan transmitansi film AZO pada substrat Si dan SiO₂.
Penyerap Hampir Sempurna melalui Array Silinder Rongga pada Multilayer AZO/ZnO
Koefisien punah AZO yang rendah (k ≈ 0,2–5 µm) dibandingkan logam mulia (Au, Ag) menjadikannya penyerap yang menarik pada inframerah (Gambar 6).
Koefisien punah k AZO, Au, dan Ag pada 0,2–5 µm.
Berdasarkan stack AZO/ZnO 32-lapisan sebelumnya (≈1,92 µm, masing-masing 60 nm) yang menunjukkan serapan hampir sempurna pada ~1,9 µm, kami menggunakan konstanta optik yang dihasilkan SE dan simulasi FDTD untuk merancang array silinder rongga yang memperluas serapan ke 2–5 µm. Struktur (Gambar 7) terdiri dari array periodik silinder rongga (jari-jari R, periode P) yang diukir ke dalam multilayer.
Geometri array silinder rongga pada multilayer AZO/ZnO.
Dua konfigurasi dioptimalkan: Array A (R = 0,6 µm, P = 1,8 µm) dan Array B (R = 0,8 µm, P = 2,0 µm). Array B memberikan >90 % serapan di seluruh 2,04–5 µm, sementara Array A unggul pada inframerah dekat. Bagian nyata negatif dari permisitivitas AZO memungkinkan pencocokan fase gelombang yang dipantulkan, dan stack multilayer dengan k rendah meningkatkan serapan broadband.
Spektrum refleksi dan serapan untuk Array A dan B.
Kami menguji Array A pada tiga substrat (rongga, Si, kuarsa). Meski bervariasi indeks bias (n = 1–3,56), serapan tetap sebagian besar tidak berubah (Gambar 9), yang menunjukkan kemerdekaan substrat penyerap.
Serapan Array A pada berbagai substrat; inset menunjukkan n dan k substrat.
Kesimpulan
Analisis komprehensif kami menunjukkan bahwa ketebalan film AZO mengatur permisitivitas pada pita visible dan inframerah melalui efek antarmuka dan kristalinitas yang bergantung pada ketebalan. Geser biru frekusi plasma efektif—dan hilangnya di bawah 25 nm—menyoroti batas penggunaan AZO ultra-tipis untuk aplikasi metamaterial. Memanfaatkan properti ini, kami memfabriksikan penyerap multilayer AZO/ZnO 32-lapisan dengan array silinder rongga yang mencapai serapan hampir sempurna dari 2 hingga 5 µm, terlepas dari substrat. Temuan ini memperkaya pemahaman perilaku optik AZO dan membuka jalur untuk perangkat plasmonik inframerah.
