적외선 영역에서 Al 도핑된 ZnO 필름의 광학적 특성과 흡수 응용

결과 및 토론

가시광선 및 적외선 광대역에서 AZO 필름의 광학적 특성

ALD에 의한 낮은 계면 거칠기 때문에 단층 모델은 AZO 박막을 설명하는 데 사용되었습니다[10]. 그러면 굴절률 n , 소광 계수 k 및 두께 d 생성된 AZO 박막의 는 SE 측정에 의해 얻어졌다. SE 측정[25, 26] 동안 AZO 필름에 의해 반사된 후 재료의 정보를 전달하는 타원 편광이 엘립소미터에 의해 감지되었습니다. 입사광의 파장은 210~5000nm 범위 내에 있었습니다. 편광에서 획득한 두 가지 측정 매개변수, 즉 진폭비(Ψ ) 및 위상 변이(Δ ), 타원 측정 비율 ρ로 정의됨 [27]로:

여기 r _p 그리고 r _s 는 각각 입사면에 평행하고 수직인 편광의 복소 반사 계수입니다. SE 피팅의 경우 정확한 피팅을 얻기 위해 RMSE(제곱 평균 제곱근 오차)가 최소화됩니다.

여기 x 스펙트럼의 데이터 포인트 수, y 는 모델의 변수 매개변수의 수이고 "exp"와 "cal"은 각각 실험 및 계산된 데이터를 나타냅니다[28]. 이전 보고서[22]에서 우리는 Forouhi-Bloomer(F-B) 분산 모델을 사용하여 300–800nm에서 ZnO의 타원 측정 매개변수를 맞추었습니다. 그러나 AZO의 금속 특성으로 인해 F-B 모델은 단일 전자 전이에만 해당하는 모델인 200~5000nm의 전체 스펙트럼에서 AZO 필름에 적합하지 않습니다[29]. AZO의 투명도와 금속성을 고려할 때 Cauchy 모델은 400~800nm의 스펙트럼에 적합하고 Drude-Lorentz 모델은 적외선(1500~5000nm)에 적합합니다[7, 17]. n의 두께와 초기 매개변수를 얻었습니다. 그리고 k SEM 결과가 SE 시뮬레이션과 일치하는 표 1에 표시된 대로 시뮬레이션 데이터의 가장 낮은 RMSE에서 AZO 박막의 수. 또한 포인트별 분석[20]을 사용하여 n 그리고 k 전체 파장에서 결과는 그림 1에 나와 있습니다. n의 두 영역이 있습니다. 그리고 k , SE 작동 범위를 전환하여 분리됩니다. 또한 피팅 결과는 가시 영역과 적외선 영역의 두 영역으로 나눌 수 있습니다. 가시 영역(210–800nm)에서 n 값은 그리고 k AZO의 비율은 낮은 비율의 Al에 대해 ZnO에 가깝습니다. n 그리고 k 가시 영역에서 규칙적인 반도체 특성을 나타냅니다. k의 값 가시 범위에서 0에 가깝고 n 두께에 따라 다릅니다. 여기서 두께 의존성은 박막에서 중요한 역할을 하는 계면 효과[22]에 의해 설명된다. 실리콘 기판의 경우 계면 효과로 인해 가시 범위에서 AZO 더 얇은 필름의 유전율이 낮아집니다. 그러나 n의 추세는 그리고 k 적외선 영역(800–5000 nm)에서 변경되었습니다. 파장이 증가함에 따라 k AZO와 ZnO의 큰 차이인 0에서 증가했습니다. k 증가 필름 흡수의 증가를 나타내었고 AZO 필름은 적외선에서 투명 유전 물질로 사용할 수 없습니다. 적외선 영역에는 AZO의 금속성 성질이 있는데, 이는 반도체일 뿐만 아니라 적외선 영역에 금속 물질이기도 하다. 또한, Hall 측정은 AZO의 벌크 캐리어 농도가 약 1.9 × 10 ²¹ 임을 나타냅니다. /cm ³ . 고농도는 Al 도펀트 때문에 자유전자가 존재함을 의미한다. 적외선에서는 반대의 두께 의존성이 나타났습니다. 두께 의존성의 메커니즘은 적외선 영역에서 동일하지 않습니다. 계면 효과는 남아있지만 적외선 영역에서 AZO의 유전율이 낮은 반면 AZO와 계면층 사이의 유전율 차이가 좁기 때문에 영향은 더 이상 중요하지 않습니다. AZO의 유전율은 AZO 박막의 편광에 영향을 미치는 두께 의존적 결정도에 의해서도 영향을 받은 것으로 추정된다.

굴절률(n ) 및 소광 계수(k ) SE 측정 데이터를 사용하여 점별 분석으로 시뮬레이션했습니다.

또한 (αE에 대한 선형 외삽법) ) ² =0은 그림 2에서 AZO 필름의 밴드 갭을 얻기 위해 흡수 가장자리에서 사용되었으며, 여기서 α 는 흡수 계수(α =4πk /λ ) 및 E 는 광자 에너지[28]입니다. AZO 흡수단의 높은 에너지는 여기자 흡수를 억제하는 자유 전자 차단 효과[16]에 기인합니다. 그림 2의 표는 AZO의 밴드 갭(Eg)이 3.62eV에서 3.72eV로 청색 이동함을 나타냅니다.

선형 외삽에 의한 AZO 필름의 밴드 갭(Eg), 여기서 α 는 흡수 계수(α =4πk /λ ) 및 E 는 광자 에너지입니다.

또한 XRD는 AZO 필름의 결정도를 측정하는 것으로 가정되었습니다. 그림 3은 두께가 다른 AZO 박막의 XRD 패턴을 보여줍니다. ZnO 필름과 비교하여 AZO 필름은 Al 도핑의 결과로 매우 결정학적이지 않습니다. 명백한 결정 피크는 450 사이클의 샘플에서 (100)이며, 이는 다결정질 ZnO의 육각형 wurtzite 상을 나타냅니다[30, 31]. 열처리는 결정질 특성에 영향을 미치며 이는 다른 곳에서 논의되었습니다[7, 9, 10, 22, 32]. 두께 의존적 결정도는 SE 결과를 설명하는 데 사용할 수 있습니다. 결정도가 높을수록 격자 결함이 적고 필름 응력과 변형률이 낮아 밴드 갭의 청색 이동, 높은 캐리어 농도 및 편광에 기여합니다.

두께가 다른 AZO 박막의 XRD 패턴

결론적으로 AZO 필름은 결정화도가 높지 않고 두께에 따른 결정도에 따라 밴드갭의 청색 편이와 유전율의 변화가 발생하였다.

반면에 <>n 그리고 k 유전율 ε으로 _r (\( \overset{\sim }{\varepsilon_r}={n}^2-{k}^2+i\ast 2 nk \)) 및 ε의 실수부 _r 그림 4에 나와 있습니다. ε의 실수부 _r ε의 허수부가 두께가 증가함에 따라 감소합니다. _r 증가합니다. 구체적으로 ε의 실수부 _r 스펙트럼의 일부 영역에서 음수이고 엡실론의 실수부가 0으로 경향이 있는 지점이 존재합니다. Drude 모델에 의해 설명된 금속의 금속 특성에 따라 엡실론의 실수부가 0이 되는 주파수를 플라즈마 주파수라고 합니다. 표 2는 AZO의 유효 플라즈마 주파수가 두께가 증가할 때 청색 편이가 있음을 보여줍니다. 또한, 더 낮은 두께의 샘플, 150-사이클 AZO 필름의 경우 적외선 영역에 영점이 존재하지 않습니다. 간단히 말해서, 두께는 AZO의 유전율에 영향을 미치며, AZO 초박막의 엡실론의 실수부는 항상 양수입니다. 다시 말해서, AZO 필름은 엡실론의 음의 실수부가 플라즈몬 응용에서 중요한 초박막 두께에서 메타물질로 간주될 수 없습니다[12].

n에서 계산된 두께가 다른 AZO 필름의 엡실론의 실수부와 허수부 그리고 k (\( \overset{\sim }{\varepsilon_r}={n}^2-{k}^2+i\ast 2 nk \))

그림 5는 조사된 AZO 필름의 반사, 흡수 및 투과를 보여줍니다. 그림 5a, b는 Si 및 SiO₂에 대한 AZO 필름의 반사를 보여줍니다. 기판, 각각. SiO₂에서 AZO의 더 높은 두께에서 더 높은 반사가 있음이 발견되었습니다. 기질. SiO₂에 대한 AZO의 낮은 반사 1000–1500nm의 기판은 낮은 n 그리고 k 그림 1에서. 그림 5c의 흡수 데이터는 반사와 투과에서 계산되었습니다. 흡수, 반사 및 투과의 합이 1이라고 가정합니다. 그림 5c의 흡수 곡선은 AZO 필름의 흡수가 적외선 영역에서 두께 의존적임을 보여주며 이는 SE 계산 및 분석과 일치합니다. . 그림 5d의 투과 곡선은 FTIR에 의해 측정되었습니다. 2500~5000nm 사이(4000~2000cm ^{− 1} 와 동일) ), AZO 필름이 두꺼울수록 투과율이 낮습니다.

아 Si 기판에 대한 AZO 필름의 반사; ㄴ 반사, c 흡수 및 d SiO₂에 대한 AZO 필름의 투과율 기질

AZO 대체 레이어의 보이드 실린더 어레이에 의한 거의 완벽한 흡수 적용

AZO는 일반적으로 적외선 영역에서 저손실 플라즈몬 물질로 귀금속 대신 사용되지만[12], 그림 3과 같이 상대적으로 낮은 흡광 계수를 고려할 때 적외선 광대역에서 고흡수체를 구축하는 것이 적절합니다. 6.

AZO, Au 및 Ag의 소광 계수 k 범위는 0.2~5.0μm [33, 34]

우리의 초기 연구[11]에서 AZO/ZnO 대체 필름의 32개 층이 ALD에 의해 실리콘 또는 석영 기판에 증착되었습니다. 32층 대체 필름의 두께는 약 1.92μm이며 각 층의 두께는 60nm입니다. 대체 레이어는 ~ 1.9μm에서 거의 완벽한 흡수로 인해 흡수 구조를 설계하는 데 사용되었습니다. SE 분석에서 AZO 박막의 매개변수와 이전 작업에서 ZnO 박막의 매개변수를 가져온 다음 FDTD 솔루션을 시뮬레이션 소프트웨어로 사용하여 다른 매개변수로 어레이의 흡수를 시뮬레이션했습니다. 그림 7은 AZO/ZnO 대체 레이어에 보이드 실린더 어레이로 만들어진 흡수체 구조를 보여줍니다. 보이드 실린더 어레이의 반경은 R입니다. μm이고 마침표는 P입니다. μm.

AZO/ZnO 대체 레이어의 보이드 실린더 어레이 구조. 보이드 실린더 어레이의 반경은 R입니다. μm, 마침표는 P입니다. μm. AZO/ZnO 대체 필름의 32개 층의 두께는 약 1.92μm이며, 각 층의 두께는 60nm입니다.

결과적으로 그림 8은 2~5μm 범위에서 높은 흡수와 낮은 반사를 위한 두 종류의 어레이를 보여줍니다. 구체적인 데이터는 표 3과 4에 나와 있습니다. 어레이 A의 경우 반경은 0.6μm이고 주기는 1.8μm입니다. 배열 B의 경우 반경은 0.8μm이고 주기는 2.0μm입니다. 어레이 B의 광대역 흡수는 2.04~5μm이며 흡수는 0.9 이상입니다. 어레이 A는 근적외선에서 어레이 B보다 더 나은 흡수를 갖는다. AZO 유전율의 음의 실수부는 주기적 배열과 낮은 유전율이 적외선 광대역에 기여하는 동안 교대 층이 모든 반사광의 위상과 일치하도록 합니다.

어레이 A 및 어레이 B의 반사 및 흡수

그림 9는 적외선 영역에서 서로 다른 기판에 대한 흡수체 A의 흡수를 나타냅니다. 보이드, 실리콘 및 석영은 적외선 영역에서 모두 투명합니다. 굴절률 n 동안 1에서 3.56으로 변경하면 흡수가 거의 변하지 않아 구조의 타당성과 적용 가능성을 보여줍니다.

다른 기질을 가진 어레이 A의 흡수. 삽입 테이블은 n 그리고 k 각각 3개의 기질