[論文レビュー] Titanium nitride as a plasmonic material for visible wavelengths

Gururaj V. Naik, Jeremy L. Schroeder+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2010

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 29被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、スパッタリング法による堆積によって光学的特性を調整可能な、誘電関数が良好で損失が低く、可視光域で銀や金よりも優れた性能を示すチタン窒化ホウケイ酸（TiN）が、ハイパーボリックメタマテリアルおよび変換光学デバイスにおいて、有効なプラズモニック材料であることを示している。TiNは、可視光域のプラズモニックおよびメタマテリアル応用、特にハイパーボリック分散および低損失変換光学構造において、優れた性能を発揮する。

ABSTRACT

The search for alternative plasmonic materials with improved optical properties over the traditional materials like silver and gold could ultimately lead to the long-awaited, real-life applications of plasmonic devices and metamaterials. In this work, we show that titanium nitride could perform as an alternative plasmonic material in the visible wavelength range. We evaluate the performances of various plasmonic and metamaterial structures with titanium nitride as a plasmonic component and show that transformation-optics devices and an important class of metamaterials with hyperbolic dispersion based on TiN could significantly outperform similar devices based on conventional metals in the visible wavelengths range.

研究の動機と目的

• 可視光域における銀や金の制限を克服する代替プラズモニック材料の同定と評価すること。
• プラズモニックおよびメタマテリアルデバイスにおける従来金属の高い光学的損失および不適切な大きな実部誘電率の問題を解決すること。
• チタン窒化ホウケイ酸（TiN）が可視スペクトル域で低損失かつ高性能なプラズモニック材料として機能できることを実証すること。
• SPP波ガイド、局所表面プラズモン共鳴（LSPR）、ハイパーボリックメタマテリアル、および変換光学のための性能指標を用いて、TiNベースのデバイスと金属ベースの同等品を比較すること。
• TiNを実用的で現実世界の可視光域プラズモニックおよびメタマテリアル応用における代替材料として確立すること。

提案手法

• 異なるアルゴン/窒素流量比および基板温度（300 °Cおよび500 °C）を用いて、c-サファイア基板上にDCリアクティブ磁気スパッタリング法でTiN薄膜を堆積した。
• 近赤外から紫外域にわたる範囲で、可変角度分光的屈折率測定法を用いて光学的特性を評価した。
• 光学定数を抽出するために、3つのローレンツ振動子を含むドレーブ・ローレンツモデルを用いて誘電関数をフィッティングした。
• 性能評価には、SPP波ガイドの伝搬長およびモードコンfinement、LSPRの性能指標（−ε′/ε″）、ハイパーボリックメタマテリアルのRe{β⊥}/Im{β⊥}を用いた。
• 複数のプラズモニックおよびメタマテリアル構成において、TiNベースのデバイスとAg/Auベースの同等品を比較した。
• 損失が最小限である500 °Cで堆積したTiN薄膜の誘電関数を、性能評価の基準として採用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チタン窒化ホウケイ酸（TiN）は、銀や金の制限を克服できる低損失プラズモニック材料として、可視光域で機能可能か？
• RQ2 伝搬長およびモードコンfinementの観点から、TiNベースのプラズモニック波ガイドは、銀および金ベースのものと比較してどの程度優れているか？
• RQ3 可視光および近赤外域において、局所表面プラズモン共鳴（LSPR）応用において、TiNは従来金属をどの程度上回るか？
• RQ4 可視光域、特に赤色領域において、TiNベースのハイパーボリックメタマテリアル（HMM）は、AgまたはAuベースのHMMよりも高い性能指標を達成できるか？
• RQ5 TiNの可視光域における誘電率の実部が1に近いことは、従来金属が誘電率の大きさのため失敗する可視帯域の変換光学デバイスに適しているとされるか？

主な発見

• 500 °Cで堆積したTiN薄膜は、最も低い光学的損失を示し、減衰が低く、プラズモニック応用に適した誘電関数を示した。
• TiN/空気界面におけるSPPモードの伝搬長は、銀および金と同等であり、金よりもわずかに優れたコンfinementを示し、長さと幅のトレードオフが改善された。
• 長距離SPP波ガイド（金属/300 nmの空気ギャップ/金属）において、可視光域ではTiNベースの構造が金ベースのものよりも長い伝搬長を示した。
• 局所表面プラズモン共鳴（LSPR）において、TiNナノ粒子は中赤外域で金や銀の性能指標と同等またはそれを上回り、可視域を超えるセンシング応用に適していた。
• TiN/AlNを用いたハイパーボリックメタマテリアル（HMM）は、可視光の赤色領域（λ > 500 nm）で、Ag/酸化アルミニウムおよびAu/酸化アルミニウムHMMよりも優れた性能を示し、Re{β⊥}/Im{β⊥}の性能指標が高く、より良い伝搬特性と低損失を示した。
• 可視光域において、TiNの誘電率の実部は銀や金よりも1に近く、従来金属が誘電率の大きさのため失敗する変換光学デバイスに適している。