Sifat Optik Film ZnO Al-Doped di Daerah Inframerah dan Aplikasi Penyerapannya

Hasil dan Diskusi

Properti Optik Film AZO dalam Pita Lebar Terlihat dan Inframerah

Karena kekasaran antarmuka yang rendah oleh ALD, model monolayer digunakan untuk menggambarkan film tipis AZO [10]. Kemudian, indeks bias n , koefisien kepunahan k dan ketebalan d dari film tipis AZO yang dihasilkan diperoleh dengan pengukuran SE. Selama pengukuran SE [25, 26], cahaya terpolarisasi elips, yang membawa informasi material setelah dipantulkan oleh film AZO, dideteksi oleh ellipsometer. Panjang gelombang cahaya datang berada dalam kisaran 210–5000 nm. Ada dua parameter pengukuran yang diperoleh dari cahaya terpolarisasi, yaitu rasio amplitudo (Ψ ) dan pergeseran fasa (Δ ), yang ditentukan oleh rasio elipsometrik ρ sebagai [27]:

Di sini r _p dan r _s adalah koefisien refleksi kompleks cahaya terpolarisasi paralel dan tegak lurus terhadap bidang datang, masing-masing. Untuk fitting SE, root mean square error (RMSE) diminimalkan untuk mendapatkan akurasi fitting:

Ini x adalah jumlah titik data dalam spektrum, y adalah jumlah parameter variabel dalam model, dan "exp" dan "cal" masing-masing mewakili data eksperimen dan data yang dihitung [28]. Dalam laporan sebelumnya [22], kami menggunakan model dispersi Forouhi-Bloomer (F-B) agar sesuai dengan parameter elipsometri ZnO pada 300–800 nm. Namun, karena sifat logam AZO, model FB tidak cocok untuk film AZO di seluruh spektrum dari 200 hingga 5000 nm, yang merupakan model hanya untuk transisi elektron tunggal [29]. Mempertimbangkan transparansi dan logam AZO, model Cauchy sesuai untuk spektrum 400–800 nm dan model Drude-Lorentz sesuai untuk inframerah (1500–5000 nm) [7, 17]. Kami memperoleh ketebalan dan parameter awal n dan k film tipis AZO dari RMSE terendah dari data simulasi seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1, di mana hasil SEM konsisten dengan simulasi SE. Selanjutnya, analisis poin demi poin [20] digunakan untuk menghitung n dan k di seluruh panjang gelombang, dan hasilnya disajikan pada Gambar. 1. Ada dua wilayah n dan k , yang dipisahkan dengan mengganti rentang kerja SE. Selain itu, hasil fitting dapat dibagi menjadi dua wilayah, yaitu wilayah tampak dan wilayah inframerah. Di wilayah yang terlihat (210–800 nm), nilai n dan k AZO mendekati ZnO untuk persentase Al yang rendah. n dan k di wilayah yang terlihat menunjukkan sifat semikonduktor biasa. Nilai k mendekati nol dalam rentang yang terlihat dan n bergantung pada ketebalan. Di sini, ketergantungan ketebalan dijelaskan oleh efek antarmuka [22], yang memainkan peran penting dalam film tipis. Untuk substrat silikon, efek antarmuka menghasilkan permitivitas yang lebih rendah dari film tipis AZO dalam rentang yang terlihat. Namun, tren n dan k diubah di wilayah inframerah (800–5000 nm). Dengan meningkatnya panjang gelombang, k meningkat dari nol, yang merupakan perbedaan besar antara AZO dan ZnO. Peningkatan k menunjukkan peningkatan penyerapan film, dan film AZO tidak dapat digunakan sebagai bahan dielektrik transparan dalam inframerah. Ada sifat logam AZO di wilayah inframerah, yang tidak hanya semikonduktor tetapi juga bahan logam di wilayah inframerah. Selain itu, pengukuran Hall menunjukkan konsentrasi pembawa curah AZO adalah sekitar 1,9 × 10 ²¹ /cm ³ . Konsentrasi tinggi mengacu pada adanya elektron bebas, karena adanya dopan Al. Ketergantungan ketebalan yang berlawanan ditunjukkan dalam inframerah. Mekanisme ketergantungan ketebalan tidak sama di daerah inframerah. Efek antarmuka tetap ada, tetapi dampaknya tidak lagi penting karena perbedaan yang lebih sempit dalam permitivitas antara AZO dan lapisan antarmuka sementara permitivitas AZO rendah di wilayah inframerah. Diasumsikan bahwa permitivitas AZO juga dipengaruhi oleh kristalinitas yang bergantung pada ketebalan, yang mempengaruhi polarisasi lapisan tipis AZO.

Indeks bias (n ) dan koefisien kepunahan (k ) disimulasikan dengan analisis poin demi poin menggunakan data dari pengukuran SE

Selanjutnya, ekstrapolasi linier ke (αE ) ² = 0 digunakan di tepi serapan untuk mendapatkan celah pita film AZO pada Gambar. 2, di mana α adalah koefisien penyerapan (α = 4πk /λ ) dan E adalah energi foton [28]. Energi tinggi dari tepi absorpsi AZO dihasilkan dari efek penyaringan elektron bebas [16], yang menekan penyerapan eksitonik. Tabel pada Gambar. 2 menunjukkan pergeseran biru dari celah pita (Misalnya) AZO dari 3,62 ke 3,72 eV.

Celah pita (Misalnya) film AZO dengan ekstrapolasi linier, di mana α adalah koefisien penyerapan (α = 4πk /λ ) dan E adalah energi foton

Selain itu, XRD seharusnya mengukur kristalinitas film AZO. Gambar 3 memberikan pola XRD dari film tipis AZO dengan ketebalan yang berbeda. Dibandingkan dengan film ZnO, film AZO tidak terlalu kristalografis, sebagai akibat dari doping Al. Puncak kristal yang jelas adalah (100) dalam sampel dengan 450 siklus, yang mewakili fase wurtzit heksagonal dari polikristalin ZnO [30, 31]. Anil termal memang memiliki efek pada sifat kristal, dan ini telah dibahas di tempat lain [7, 9, 10, 22, 32]. Kristalinitas yang bergantung pada ketebalan dapat digunakan untuk menjelaskan hasil SE. Semakin tinggi kristalinitas berarti semakin sedikit cacat kisi, serta tegangan dan regangan film, yang berkontribusi pada pergeseran biru celah pita, konsentrasi pembawa yang lebih tinggi, dan polarisasi.

Pola XRD dari film tipis AZO dengan ketebalan berbeda

Kesimpulannya, film AZO tidak terlalu mengkristal dan kristalinitasnya bergantung pada ketebalan, yang menghasilkan pergeseran biru celah pita dan perubahan permitivitas.

Di sisi lain, kami mengubah n dan k ke permitivitas ε _r (\( \overset{\sim }{\varepsilon_r}={n}^2-{k}^2+i\ast 2 nk \)), dan bagian imajiner nyata dari ε _r diilustrasikan pada Gambar. 4. Bagian sebenarnya dari ε _r berkurang dengan meningkatnya ketebalan ketika bagian imajiner dari ε _r meningkat. Dalam istilah khusus, bagian sebenarnya dari ε _r negatif di beberapa wilayah spektrum, dan titik ketika bagian nyata dari tren epsilon ke nol ada. Sejalan dengan sifat logam logam yang dijelaskan oleh model Drude, frekuensi ketika bagian nyata dari tren epsilon ke nol disebut frekuensi plasma. Tabel 2 mengilustrasikan bahwa frekuensi plasma efektif AZO memiliki pergeseran biru ketika ketebalan meningkat. Selain itu, untuk sampel dengan ketebalan lebih rendah, film AZO 150 siklus, titik nol tidak ada di wilayah inframerah. Singkatnya, ketebalan mempengaruhi permitivitas AZO, dan bagian nyata dari epsilon film ultra tipis AZO selalu positif. Dengan kata lain, film AZO tidak dapat dianggap sebagai metamaterial dengan ketebalan ultrathin, di mana bagian real negatif dari epsilon penting dalam aplikasi plasmonik [12].

Bagian nyata dan bagian imajiner dari epsilon film AZO dengan ketebalan yang berbeda, yang dihitung dari n dan k (\( \overset{\sim }{\varepsilon_r}={n}^2-{k}^2+i\ast 2 nk \))

Gambar 5 mengilustrasikan refleksi, penyerapan, dan transmisi film AZO yang diselidiki. Gambar 5a, b menggambarkan pantulan film AZO pada Si dan SiO₂ substrat, masing-masing. Ditemukan bahwa ada refleksi yang lebih tinggi pada ketebalan AZO yang lebih tinggi pada SiO₂ substrat. Refleksi rendah AZO pada SiO₂ substrat dalam 1000-1500 nm hasil dari n . rendah dan k pada Gambar. 1. Data penyerapan pada Gambar. 5c dihitung dari refleksi dan transmisi. Diasumsikan bahwa jumlah absorpsi, refleksi, dan transmisi sama dengan 1. Kurva absorpsi pada Gambar 5c menggambarkan bahwa absorpsi film AZO bergantung pada ketebalan di wilayah inframerah, yang konsisten dengan perhitungan dan analisis SE. . Kurva transmisi pada Gambar. 5d diukur dengan FTIR. Antara 2500 dan 5000 nm (sama dengan 4000–2000 cm ^− 1 ), ada transmisi yang lebih rendah di film AZO yang lebih tebal.

a Refleksi film AZO pada substrat Si; b Refleksi, c penyerapan, dan d transmisi film AZO pada SiO₂ substrat

Aplikasi Penyerapan Hampir Sempurna oleh Array Silinder Void pada Lapisan Alternatif AZO

AZO biasanya digunakan sebagai pengganti logam mulia sebagai bahan plasmonik dengan kerugian rendah di wilayah inframerah [12], tetapi juga tepat untuk membangun penyerap tinggi dalam pita lebar inframerah mengingat koefisien kepunahannya yang relatif lebih rendah, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6.

Koefisien kepunahan k AZO, Au, dan Ag berkisar antara 0,2 hingga 5,0 μm [33, 34]

Dalam pekerjaan kami sebelumnya [11], 32 lapisan film alternatif AZO/ZnO diendapkan pada substrat silikon atau kuarsa oleh ALD. Ketebalan film alternatif 32-lapisan kira-kira 1,92 μm, setiap lapisan setebal 60 nm. Lapisan alternatif digunakan untuk merancang struktur penyerapan karena penyerapan yang hampir sempurna pada ~ 1,9 μm. Kami mengambil parameter film tipis AZO dari analisis SE dan film tipis ZnO dari pekerjaan kami sebelumnya, kemudian menggunakan solusi FDTD sebagai perangkat lunak simulasi untuk mensimulasikan penyerapan array dengan parameter yang berbeda. Gambar 7 mengilustrasikan struktur penyerap yang dibangun dengan susunan silinder kosong pada lapisan alternatif AZO/ZnO. Jari-jari susunan silinder kosong adalah R m dan periodenya adalah P m.

Struktur susunan silinder kosong pada lapisan alternatif AZO/ZnO. Jari-jari susunan silinder kosong adalah R m, dan periodenya adalah P m. Ketebalan 32 lapisan film alternatif AZO/ZnO kira-kira 1,92 μm, setiap lapisan setebal 60 nm

Akibatnya, Gambar 8 menyajikan dua jenis larik untuk penyerapan tinggi dan refleksi rendah pada kisaran antara 2 dan 5 m. Data spesifik disajikan pada Tabel 3 dan 4. Untuk larik A, jari-jarinya adalah 0,6 μm dan periodenya adalah 1,8 m; untuk larik B, jari-jarinya adalah 0,8 μm dan periodenya adalah 2,0 m. Array B memiliki penyerapan broadband antara 2,04 dan 5 m, di mana penyerapan lebih dari 0,9. Array A memiliki daya serap yang lebih baik daripada array B pada inframerah dekat. Bagian nyata negatif dari permitivitas AZO memungkinkan lapisan bergantian untuk mencocokkan fase semua cahaya yang dipantulkan sementara susunan periodik dan permitivitas rendah berkontribusi pada broadband inframerah.

Refleksi dan absorpsi larik A dan larik B

Gambar 9 menunjukkan penyerapan absorber A pada substrat yang berbeda di wilayah inframerah. Kekosongan, silikon, dan kuarsa semuanya transparan di wilayah inframerah. Sedangkan indeks bias n berubah dari 1 menjadi 3,56, penyerapan berubah sedikit, yang menunjukkan kelayakan dan penerapan struktur.

Penyerapan array A dengan substrat yang berbeda. Tabel sisipan menunjukkan n dan k dari tiga substrat, masing-masing