[论文解读] 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 8

一句话总结

该论文表明，氮化钛（TiN）是一种适用于可见光波段的可行等离子体材料，在超材料和变换光学器件中，其性能优于传统的银和金，原因在于其有利的介电函数、更低的损耗以及通过溅射沉积可调谐的光学特性。TiN在可见光波段的等离子体和超材料应用中表现出更优性能，特别是在超材料色散和低损耗变换光学结构方面。

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.

研究动机与目标

• 识别并评估可克服银和金在可见光波段局限性的替代等离子体材料。
• 解决传统金属在等离子体和超材料器件中光学损耗过高和介电常数实部过大问题。
• 证明氮化钛（TiN）可作为可见光谱中低损耗、高性能的等离子体材料。
• 通过表面等离子体极化激元波导、局域表面等离子体共振、超材料和变换光学的品质因数，对比基于TiN的器件与基于金属的器件。
• 确立TiN作为可见光波段实际、现实世界等离子体和超材料应用的可行替代方案。

提出的方法

• 在c-蓝宝石衬底上通过直流反应磁控溅射法沉积TiN薄膜，采用不同的Ar/N₂流量比和基底温度（300 °C和500 °C）。
• 利用可变入射角光谱椭偏仪在近红外至紫外波段表征光学特性。
• 采用含三个洛伦兹振子的德鲁德-洛伦兹模型拟合介电函数，以提取光学常数。
• 通过品质因数评估器件性能：表面等离子体极化激元波导的传播长度和模式限制，局域表面等离子体共振的品质因数（−ε′/ε″），以及超材料中β⊥的实部与虚部之比（Re{β⊥}/Im{β⊥}）。
• 在多种等离子体和超材料结构中，对比基于TiN的器件与基于Ag/Au的器件。
• 由于损耗更低，选用500 °C沉积的TiN薄膜的介电函数作为性能评估基准。

实验结果

研究问题

• RQ1 氮化钛（TiN）能否作为可见光谱中低损耗的等离子体材料，克服银和金的局限性？
• RQ2 基于TiN的等离子体波导在传播长度和模式限制方面，与基于银和金的波导相比性能如何？
• RQ3 在可见光和近红外波段，TiN在局域表面等离子体共振（LSPR）应用中的性能优于传统金属的程度如何？
• RQ4 在可见光波段，特别是红光部分，基于TiN的超材料（HMMs）能否实现比Ag或Au基HMMs更高的品质因数，特别是Re{β⊥}/Im{β⊥}？
• RQ5 TiN在可见光波段的介电常数实部接近于1，是否使其适用于变换光学器件，而传统金属因介电常数幅度过大而失效？

主要发现

• 在500 °C下沉积的TiN薄膜表现出最低的光学损耗，其介电函数显示阻尼减小，有利于提升等离子体应用性能。
• 在TiN/空气界面的表面等离子体极化激元（SPP）模式传播长度与银和金相当，且模式限制优于金，传播长度与模式宽度之间具有更优的权衡。
• 在长程SPP波导（金属/300 nm空气间隙/金属）中，TiN基结构在可见光波段的传播长度优于金基结构。
• 对于局域表面等离子体共振（LSPR），TiN纳米颗粒在中红外波段的品质因数与金或银相当或更优，使其适用于可见光波段以外的传感应用。
• 基于TiN/AlN的超材料（HMMs）在可见光红光部分（λ > 500 nm）的性能优于Ag/蓝宝石和Au/蓝宝石HMMs，其Re{β⊥}/Im{β⊥}品质因数更高，表明其具有更好的传播性能和更低的损耗。
• 在可见光波段，TiN的介电常数实部比银或金更接近于1，使其适用于传统金属因介电常数幅度过大而失效的变换光学器件。