[论文解读] Oxides and nitrides as alternative plasmonic materials in the optical range

Gururaj V. Naik, Jong‐Bum Kim+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2011

GaN-based semiconductor devices and materials被引用 41

一句话总结

本文提出氧化铟锡（ITO）、氧化锌铝（AZO）和氧化锌镓（GZO）等透明导电氧化物（TCOs），以及氮化钛（TiN）和氮化锆（ZrN）等过渡金属氮化物，作为近红外和可见光频段的低损耗、CMOS相容型等离子体材料。通过利用其可调谐的光学性能及与标准纳米制造工艺的兼容性，这些材料使高性能超材料和等离子体器件的损耗显著低于传统金属（如银和金）。

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.

研究动机与目标

• 识别并评估可克服金和银等传统金属在等离子体和超材料应用中局限性的替代等离子体材料。
• 解决传统等离子体金属在集成光子器件中固有损耗高且CMOS不兼容的问题。
• 证明透明导电氧化物（TCOs）和过渡金属氮化物在传播损耗方面优于贵金属，且工艺兼容性更优。
• 通过精确控制材料成分和沉积条件，实现可调谐、高性能的等离子体器件。
• 确立氧化物和氮化物薄膜作为超透镜、超透镜和零折射率（ENZ）器件中功能元件的可行性。

提出的方法

• 采用脉冲激光沉积、射频磁控溅射和原子层沉积等技术，制备高质量的TCO（ITO、AZO、GZO）和氮化物（TiN、ZrN）薄膜。
• 利用光谱椭偏仪和反射率测量，在可见光和近红外波段表征光学常数和介电函数。
• 基于Johnson和Christy（1972）的数据，比较替代材料与金、银的复介电常数及损耗特性。
• 评估表面粗糙度和结晶性对等离子体损耗的影响，强调在晶格匹配衬底（如蓝宝石）上外延生长的优势。
• 评估通过掺杂和工艺条件实现的可调性，从而在超材料中实现等离子体响应的动态调控。
• 将材料集成到超透镜、超透镜和基于ENZ的光聚焦器件等功能器件结构中。

实验结果

研究问题

• RQ1 透明导电氧化物（TCOs）在近红外波段能否实现比贵金属更低的传播损耗？
• RQ2 过渡金属氮化物（如TiN和ZrN）在可见光谱范围内的等离子体性能在多大程度上可与金和银媲美？
• RQ3 表面粗糙度和晶界散射对所制备的替代材料纳米结构中等离子体损耗有何影响？
• RQ4 能否通过掺杂和沉积参数调控TCOs和氮化物的光学性能，以实现可重构的等离子体器件？
• RQ5 TCOs和氮化物与标准CMOS制造工艺的兼容性如何，以实现光子电路中的单片集成？

主要发现

• 透明导电氧化物（TCOs）如ITO、AZO和GZO在近红外波段的损耗几乎比银低五倍，使其在低损耗等离子体应用中更具优势。
• TiN和ZrN在可见光波段表现出金属特性，具有负介电常数，尽管由于允许带间跃迁导致损耗高于贵金属，但仍可实现等离子体响应。
• 在蓝宝石衬底上生长的氮化物薄膜具有高结晶度和低表面粗糙度，可最大限度减少散射损耗，使优化结构中的性能可与贵金属媲美。
• TCOs和氮化物具有CMOS相容性，而金和银不具备，因此可与基于硅的电子器件和晶体管实现单片集成。
• TCOs和氮化物的光学性能可通过掺杂和沉积条件显著调控，从而实现对等离子体共振和器件功能的动态控制。
• 在蓝宝石或ZnO衬底上外延生长的高质量AZO和GZO薄膜，可实现超晶格和单片集成等离子体器件，显著提升性能。