[논문 리뷰] Oxides and nitrides as alternative plasmonic materials in the optical range

Gururaj V. Naik, Jong‐Bum Kim외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 08. 04.

GaN-based semiconductor devices and materials인용 수 41

한 줄 요약

이 논문은 근적외선 및 가시광선 영역에서 저손실, CMOS 호환성 있는 플라스모닉 재료로 이산화인듐주석(Indium Tin Oxide, ITO), 아연 도핑 아연 산화물(Zinc-doped Aluminum Oxide, AZO), 게르마늄 도핑 아연 산화물(Germanium-doped Zinc Oxide, GZO)과 같은 투명 도체 산화물(TCOs) 및 티타늄 질화물(TiN), 지르코늄 질화물(ZrN)과 같은 전이금속 질화물들을 제안한다. 이 재료들은 표준 나노재료 공정과 조화를 이룰 수 있는 조절 가능한 광학 특성을 지니고 있어, 은과 금과 같은 전통적 금속에 비해 손실이 크게 감소한 고성능 메타물질 및 플라스모닉 장치를 실현한다.

ABSTRACT

As alternatives to conventional metals, new plasmonic materials offer many advantages in the rapidly growing fields of plasmonics and metamaterials. These advantages include low intrinsic loss, semiconductor-based design, compatibility with standard nanofabrication processes, tunability, and others. Transparent conducting oxides such as Al:ZnO, Ga:ZnO and indium-tin-oxide (ITO) enable many high-performance metamaterial devices operating in the near-IR. Transition-metal nitrides such as TiN or ZrN can be substitutes for conventional metals in the visible frequencies. In this paper we provide the details of fabrication and characterization of these new materials and discuss their suitability for a number of metamaterial and plasmonic applications.

연구 동기 및 목표

• 플라스모닉 및 메타물질 응용 분야에서 금과 은과 같은 전통적 금속의 한계를 극복할 수 있는 대체 플라스모닉 재료를 식별하고 평가하는 것.
• 통합 광학 장치에서 전통적 플라스모닉 금속의 높은 내재 손실과 낮은 CMOS 호환성 문제를 해결하는 것.
• 투명 도체 산화물(TCOs)과 전이금속 질화물이 귀금속보다 낮은 전파 손실과 더 나은 공정 호환성을 제공함을 입증하는 것.
• 재료 조성과 증착 조건의 정밀한 제어를 통해 조절 가능한 고성능 플라스모닉 장치를 실현하는 것.
• 산화물 및 질화물 필름을 초렌즈, 슈퍼렌즈 및 에프실론 근처 제로(epsilon-near-zero, ENZ) 장치의 기능성 구성 요소로 사용할 수 있는 가능성을 확립하는 것.

제안 방법

• 펄스 레이저 증착, RF 마그네트론 스퍼터링, 원자층증착 등의 기법을 이용해 TCOs(Indium Tin Oxide, ITO; Zinc-doped Aluminum Oxide, AZO; Germanium-doped Zinc Oxide, GZO) 및 질화물(TiN, ZrN)의 고품질 박막을 제작하는 것.
• 가시광선 및 근적외선 스펙트럼 전역에서 분광학적 굴절률 측정 및 반사율 측정을 통해 광학 상수와 유전율 함수를 특성화하는 것.
• Johnson과 Christy(1972)의 데이터를 활용해 대체 재료의 복소 허용도 및 손실 특성과 금과 은의 특성을 비교하는 것.
• 표면 거칠기 및 결정성의 영향을 고려하여 플라스모닉 손실을 평가하며, 사파이어와 같은 격자 매칭 기판에 대한 에피택셜 성장의 이점을 강조하는 것.
• doping 및 공정 조건을 통한 조절 가능성 평가를 통해 메타물질 내 플라스모닉 반응의 동적 제어를 가능하게 하는 것.
• 초렌즈, 슈퍼렌즈 및 ENZ 기반 빛 집속 장치와 같은 기능성 장치 아키텍처에 재료를 통합하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 투명 도체 산화물(TCOs)이 근적외선 영역에서 귀금속보다 낮은 전파 손실을 달성할 수 있는가?
• RQ2 티타늄 질화물(TiN)과 지르코늄 질화물(ZrN)과 같은 전이금속 질화물이 가시광선 영역에서 금과 은의 플라스모닉 성능을 어느 정도 충족하는가?
• RQ3 제조된 나노구조에서 표면 거칠기 및 결정립 경계 산란이 대체 재료의 플라스모닉 손실에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 도핑 및 증착 조건을 통해 TCOs와 질화물의 광학 특성을 조절하여 재구성 가능한 플라스모닉 장치를 구현할 수 있는가?
• RQ5 TCOs와 질화물이 표준 CMOS 제조 공정과의 호환성은 어떠한가? 이는 광학 회로 내 단일체 통합을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 이산화인듐주석(Indium Tin Oxide, ITO), 아연 도핑 아연 산화물(Zinc-doped Aluminum Oxide, AZO), 게르마늄 도핑 아연 산화물(Germanium-doped Zinc Oxide, GZO)과 같은 투명 도체 산화물(TCOs)은 근적외선 영역에서 은에 비해 손실이 약 5배 낮으며, 이는 저손실 플라스모닉 응용 분야에서 열등한 성능을 발휘한다.
• 티타늄 질화물(TiN)과 지르코늄 질화물(ZrN)은 가시광선 영역에서 음의 허용도를 가지며 금속적 거동를 보이며, 간섭 전이로 인해 귀금속보다 높은 손실을 보이지만 플라스모닉 반응을 유도할 수 있다.
• 사파이어 기판에 성장된 질화물 필름은 높은 결정성과 낮은 표면 거칠기를 확보하여 산란 손실을 최소화하고 최적화된 구조에서 귀금속과 유사한 성능을 발휘한다.
• TCOs와 질화물은 금과 은과 달리 CMOS 호환성이 있어 실리콘 기반 전자기기 및 트랜지스터와의 단일체 통합이 가능하다.
• TCOs와 질화물의 광학 특성은 도핑 및 증착 조건에 의해 강하게 조절 가능하여 플라스모닉 공명 및 장치 기능성의 동적 제어를 가능하게 한다.
• 사파이어 또는 아연 산화물 기판에 고품질 에피택셜 AZO 및 GZO 필름을 제작함으로써 슈퍼 레이저 및 단일체 플라스모닉 장치를 향상된 성능으로 제작할 수 있다.