[논문 리뷰] Titanium nitride as a plasmonic material for visible wavelengths

Gururaj V. Naik, Jeremy L. Schroeder외 2명|arXiv (Cornell University)|2010. 11. 22.

Metamaterials and Metasurfaces Applications참고 문헌 29인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 티타늄 nitride(TiN)이 가시광선 영역에서 유망한 플라스모닉 재료임을 입증하며, 스퍼터링 증착을 통해 조절 가능한 유전율 함수, 낮은 손실 및 높은 성능 덕분에 기존의 은과 금과 같은 전통적 금속보다 초현실성 메타물질 및 변환 광학 장치에서 뛰어난 성능을 발휘한다. TiN은 특히 초현실성 분산 및 저손실 변환 광학 구조에서 가시광선 영역 플라스모닉 및 메타물질 응용 분야에서 더 나은 성능을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 가시광선 영역에서 은과 금의 한계를 극복할 수 있는 대체 플라스모닉 재료를 특정하고 평가하는 것.
• 플라스모닉 및 메타물질 장치에서 전통적 금속의 높은 광학 손실과 지나치게 큰 실수 허용도 문제를 해결하는 것.
• 티타늄 나이트라이드(TiN)가 가시광선 영역에서 저손실, 고성능 플라스모닉 재료로 기능할 수 있음을 입증하는 것.
• SPP 웨이브가이드, LSPR, 초현실성 메타물질, 변환 광학에 대한 성능 지표를 사용해 TiN 기반 장치와 금속 기반 장치를 비교하는 것.
• 실제 응용에 적합한 가시광선 영역 플라스모닉 및 메타물질 응용 분야에서 TiN을 실용적 대안으로 정립하는 것.

제안 방법

• 다양한 Ar/N₂ 유량 비율과 기질 온도(300 °C 및 500 °C)를 사용해 c-蓝 sapphire 기질에 DC 반응성 마그네토론 스퍼터링을 통해 TiN 박막을 증착.
• 근적외선에서 자외선 범위에 걸쳐 기울기 변화 스펙트로스코픽 엘립소미메트리로 광학적 성질을 특성화.
• 광학 상수를 추출하기 위해 3개의 로렌츠 진동자와 함께 드루드-로렌츠 모델을 사용해 유전율 함수를 피팅.
• 성능 평가에 성능 지표를 사용: SPP 웨이브가이드의 경우 전파 길이와 봉쇄도, LSPR의 경우 성능 지표(−ε′/ε″), 초현실성 메타물질의 경우 Re{β⊥}/Im{β⊥}를 사용.
• 여러 가지 플라스모닉 및 메타물질 구성에서 TiN 기반 장치와 Ag/Au 기반 장치를 비교.
• 저손실 특성을 보이는 500 °C에서 증착된 TiN 필름의 유전율 함수를 성능 평가의 기준으로 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 티타늄 나이트라이드(TiN)는 은과 금의 한계를 극복하고 가시광선 영역에서 저손실 플라스모닉 재료로 기능할 수 있는가?
• RQ2 전파 길이와 모드 봉쇄도 측면에서 TiN 기반 플라스모닉 웨이브가이드의 광학 성능이 은 및 금 기반 장치와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 가시광선 및 가까운 적외선 영역에서 국소 표면 플라스모닉 공진(LSPR) 응용 분야에서 TiN이 기존 금속보다 얼마나 뛰어나게 성능을 발휘하는가?
• RQ4 특히 적색 영역에서 가시광선 영역에서 TiN 기반 초현실성 메타물질(HMM)이 Ag 또는 Au 기반 HMM보다 더 높은 성능 지표를 달성할 수 있는가?
• RQ5 TiN의 실수 허용도가 유니티에 가까운 것은 가시광선 대역에서 전통적 금속이 너무 큰 허용도 크기로 실패하는 변환 광학 장치에 적합한가?

주요 결과

• 500 °C에서 증착된 TiN 필름가 가장 낮은 광학 손실을 보였으며, 감쇠가 감소하고 플라스모닉 응용 분야에서 성능이 향상되었다.
• TiN/공기 인터페이스에서 SPP 모드의 전파 길이는 은과 금과 유사했으며, 금보다 약간 뛰어난 봉쇄도와 길이와 너비 사이의 균형이 향상되었다.
• 장거리 SPP 웨이브가이드(금속/300 nm 공기 간극/금속)에서, TiN 기반 구조는 가시광선 영역에서 금 기반 장치보다 더 긴 전파 길이를 보였다.
• 국소 표면 플라스모닉 공진(LSPR)의 경우, TiN 나노입자는 중간 적외선 영역에서 금과 은의 성능 지표를 충족하거나 초월했으며, 이는 가시광선 영역 외부의 센서 응용 분야에 적합하다는 것을 의미한다.
• TiN/AlN 기반 초현실성 메타물질(HMM)은 적색 영역(λ > 500 nm)에서 Ag/알루미나 및 Au/알루미나 HMM보다 높은 Re{β⊥}/Im{β⊥} 성능 지표를 보였으며, 이는 더 나은 전파 성능과 낮은 손실을 의미한다.
• 가시광선 영역에서 TiN의 실수 허용도는 은이나 금보다 유니티에 더 가까웠으며, 이는 전통적 금속이 너무 큰 허용도 크기로 실패하는 변환 광학 장치에서의 응용 가능성을 보여준다.