Вестник МГОУ. Серия: Физика-математика / 2023 №1

Название статьи Моделирование параметров материалов плёнок прозрачных электродов с близкой к нулю диэлектрической проницаемостью
Авторы Соломатин А.С., Беляев В.В., Абдуев А.Х., Зверев Н.В., Беляев А.А., Царева Е.В., Жачкин В.А.
Серия Физика-математика
Страницы 45 - 59
Аннотация Цель: исследовать влияние параметров материала прозрачного электрода на основе оксида металла (N – плотность электронов, τ – среднее время рассеяния электронов) на величину частоты, при которой диэлектрическая проницаемость материала ε (эпсилон) становится близкой к нулю (так называемые ENZ или НЭ-материалы).Процедура и методы. С использованием модели Друде выполнены расчёты параметров N, τ и плазменной частоты ω0 в диапазоне параметров материалов, применяемых в электронике, а также для композитных материалов с разной геометрией включений. Приведены параметры материалов на основе оксида цинка и методов их формирования, при которых может реализоваться описанный режим близкой к нулю диэлектрической проницаемости материала.Результаты. Для ряда материалов плёнок прозрачных электродов, применяемых в устройствах управления излучением ближнего ИК-диапазона, исследовано влияние параметров материала (N, τ) на величину частоты, при которой диэлектрическая проницаемость материала ε (эпсилон) становится близкой к нулю (НЭ-материалы). Описаны технологии материалов, в которых может реализоваться НЭ-режим.Теоретическая и/или практическая значимость. Описанный режим реализуется для ряда материалов плёнок прозрачных электродов, применяемых в устройствах управления излучением ближнего ИК-диапазона.
Ключевые слова диэлектрическая проницаемость, метаматериал, прозрачные электроды, окись цинка, ИК и ТГц-диапазон, концентрация электронов, время рассеяния электронов, ENZ-материалы, устройства управления излучением
Индекс УДК 35.3, 537.86
DOI 10.18384/2310-7251-2023-1-45-59
Список цитируемой литературы 1. Silveirinha M. G., Alù A., Edwards B., Engheta N. Overview of Theory and Applications of Epsilon-Near-Zero Materials. In: URSI General Assembly (Chicago, IL, USA, August 8-16, 2008). Available at: https://www.ursi.org/proceedings/procGA08/papers/B01p6.pdf (accessed: 16.12.2022)
2. Ni J. H., Sarney W. L., Leff A. C., Cahill J. P., Zhou W. Property Variation in Wavelength-thick Epsilon-Near-Zero ITO Metafilm for Near-IR Photonic Devices. In: Scientific Reports, 2020, vol. 10, pp. 713. DOI: 10.1038/s41598-020-57556-z.
3. Lotkov E. S., Baburin A. S., Ryzhikov I. A., Sorokina O. S., Ivanov A. I., Zverev A. V., Ryzhkov V. V., Bykov I. V., Baryshev A. V., Panfilov Yu. V., Rodionov I. A. ITO film stack engineering for low-loss silicon optical modulators. In: Scientific Reports, 2022, vol. 12, article number: 6321. DOI: 10.1038/s41598-022-09973-5.
4. Kim J., Dutta A., Naik G. V., Giles A. J., Bezares F. J., Ellis C. T., Tischler J. G., Mahmoud A. M., Caglayan H., Glembocki O. J., Kildishev A. V., Caldwell J. D., Boltasseva A., Engheta N. Role of epsilon-near-zero substrates in the optical response of plasmonic antennas. In: Optica, 2016, vol. 3, iss. 3, pp. 339–346. DOI: 10.1364/OP-TICA.3.000339.
5. Argyropoulos C., Chen P.-Y., D’Aguanno G., Engheta N., Alú A. Boosting optical nonlin-earities in epsilon-near-zero plasmonic channels. In: Physical Review B, 2012, vol. 85, iss. 4, article: 045129. DOI: 10.1103/PhysRevB.85.045129.
6. Alam M. Z., De Leon I., Boyd R. W. Large optical nonlinearity of indium tin oxide in its epsilon-near-zero region. In: Science, 2016, vol. 352, iss. 6287, pp. 795–797. DOI: 10.1126/science.aae0330.
7. Engheta N. Pursuing Near-Zero Response. In: Science, 2013, vol. 340, iss. 6130, pp. 286–287. DOI: 10.1126/science.1235589.
8. Ma Z., Li Z., Liu K., Ye C., Sorger V. J. Indium-Tin-Oxide for High-performance Electro-optic Modulation. In: Nanophotonics, 2015, vol. 4, iss. 2, pp. 198–213. DOI: 10.1515/nanoph-2015-0006.
9. Silveirinha M., Engheta N. Tunneling of electromagnetic energy through subwavelength channels and bends using epsilon-near-zero materials. In: Physical Review Letters, 2006, vol. 97, iss. 15, article: 157403. DOI: 10.1103/PHYSREVLETT.97.157403.
10. Silveirinha M. G., Engheta N. Theory of supercoupling, squeezing wave energy, and field confinement in narrow channels and tight bends using epsilon-near-zero metamaterials. In: Physical Review B, 2007, vol. 76, iss. 24, article: 245109. DOI: 10.1103/PhysRevB.76.245109.
11. Liu R., Cheng Q., Hand T., Mock J., Cui T. Experimental Demonstration of Electromagnetic Tunneling Trough an Epsilon-Near-Zero Metamaterial at Microwave Frequencies. In: Physical Review Letters, 2008, vol. 100, iss. 2, article: 023903. DOI: 10.1103/PhysRevLett.100.023903.
12. Feng S., Halterman K. Coherent perfect absorption in epsilon-near-zero metamaterials. In: Physical Review B, 2012, vol. 86, iss. 16, article: 165103. DOI: 10.1103/PhysRevB.86.165103.
13. Edwards B., Alu A., Young M. E., Silveirinha M., Engheta N. Experimental verification of epsilon-near-zero metamaterial coupling and energy squeezing using a microwave wave-guide. In: Physical Review Letters, 2008, vol. 100, iss. 3, article: 033903. DOI: 10.1103/PhysRevLett.100.033903.
14. Yang X., Hu C., Deng H., Rosenmann D., Czaplewski D. A., Gao J. Experimental demonstration of near-infrared epsilon-near-zero multilayer metamaterial slabs. In: Optics Express, 2013, vol. 21, iss. 20, pp. 23631–23639. DOI: 10.1364/OE.21.023631.
15. Gao J., Sun L., Deng H., Mathai C. J., Gangopadhyay S., Yang X. Experimental realization of epsilon-near-zero metamaterial slabs with metal-dielectric multilayers. In: Applied Physics Letters, 2013, vol. 103, iss. 5, pp. 051111. DOI: 10.1063/1.4817678
16. West P. R., Ishii S., Naik G. V., Emani N. K., Shalaev V. M., Boltasseva A. Searching for better plasmonic materials. In: Laser & Photonics Review, 2010, vol. 4, iss. 6, pp. 795–808. DOI: 10.1002/lpor.200900055.
17. Boltasseva A., Atwater H. A. Low-Loss Plasmonic Metamaterials. In: Science, 2011, vol. 331, no. 6015, pp. 290–291. DOI: 10.1126/science.1198258.
18. Vasudev A., Kang J., Park J., Liu X., Brongersma M. Electro-optical modulation of a silicon waveguide with an epsilon-near-zero material. In: Optics Express, 2013, vol. 21, iss. 22, pp. 26387–26397. DOI: 10.1364/OE.21.026387.
19. Tiwald T. E., Tompson D. W., Woollam J. A., Paulson W., Hance R. Application of IR variable angle spectroscopic ellipsometry to the determination of free carrier concentration depth profiles. In: Thin Solid Films, 1998, vol. 313–314, pp. 661–666. DOI: 10.1016/S0040-6090(97)00973-5.
20. Kinsey N., Khurgin J. Nonlinear epsilon-near-zero materials explained: opinion. In: Optical Materials Express, 2019, vol. 9, iss. 7, pp. 2793–2796. DOI: 10.1364/OME.9.002793.
21. Wu J., Xie Z. T., Sha Y., Fu H. Y., Li Q. Epsilon-near-zero photonics: infinite potentials. In: Photonics Research, 2021, vol. 9, iss. 8, pp. 1616–1643. DOI: 10.1364/PRJ.427246.
22. Zagrubskiy A. A., Chernova A. P. Statistika nositelei zaryada i kineticheskie protsessy. St. Petersburg, St. Petersburg State University Publ., 2007. 223 p.
23. Secondo R., Khurgin J., Kinsey N. Absorptive loss and band non-parabolicity as a physical origin of large nonlinearity in epsilon-near-zero materials. In: Optical Materials Express, 2020, vol. 10, iss. 7, pp. 1545–1560. DOI: 10.1364/OME.394111.
24. Pchelintsev A. N., Shishin V. A.. In: Vestnik Tambovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2003, vol. 9, no. 3, pp. 464–468.
25. Borisenko S. I.. In: Fizika i tekhnika poluprovodnikov, 2003, vol. 37, no. 9, pp. 1117–1122.
26. Gintilas Sh. Z., Denis V. I., Martunas Z., Shetkus A. P.. In: Fizika i tekhnika poluprovodnikov, 1984, vol. 18, no 2, pp. 324–326.
27. Gantmakher V. F., Petrashov V. T.. In: Metally vysokoi chistoty. Moscow, Nauka Publ., 1976, pp. 31–59.
28. Gantmakher V. F., Levinson I. B. Rasseyanie nositelei toka v metallakh i poluprovodnikakh. Moscow, Nauka Publ., 1984. 352 p.
29. Litvinov E. A., Vozianova A. V., Khodzitsky M. K. Epsilon-Near-Zero metal-dielectric composite for terahertz frequency range. In: Journal of Physics: Conference Series, 2018, vol. 1062: IX International conference “Basic Problems of Optics” BPO'2016 (17–21 October 2016, Saint-Petersburg, Russian Federation), pp. 012010. DOI: 10.1088/1742-6596/1062/1/012010.
30. Kroger F. Khimiya nesovershennykh kristallov. Moscow, Mir Publ., 654 p.
31. Ozgur U., Alivov Y. I., Liu C., Tekeb A., Reshchikov M. A., Doğanc S., Avrutin V., Cho S.-J., Morkoçd H. A comprehensive review of ZnO materials and devices. In: Journal of Applied Physics, 2005, vol. 98, iss. 4, article: 041301. DOI: 10.1063/1.1992666.
32. Ellmer K., Mientus R. Carrier Transport in Polycrystalline ITO and ZnO:Al II: The Influence of Grain Barriers and Boundaries. In: Thin Solid Films, 2008, vol. 516, iss. 17, pp. 5829–5835. DOI: 10.1016/j.tsf.2007.10.082.
33. Gilmer G. H., Huang H., de la Rubia T. D., Torre J. D., Baumann F. H. Lattice Monte Carlo models of thin film deposition. In: Thin Solid Films, 2000, vol. 365, iss. 2, pp. 189–200. DOI: 10.1016/S0040-6090(99)01057-3.
34. Abduev A., Akhmedov A., Asvarov A., Kamilov I., Sulyanov S. Growth Mechanism of ZnO Layers. In: Nickel N. H., Terukov E., eds. Zinc Oxide – A Material for Micro- and Optoelectronic Applications: Proceedings of the NATO Advanced Research Workshop on Zinc Oxide as a Material for Micro- and Optoelectronic Applications (St. Petersburg, Russia, from 23 to 25 June 2004). Dordrecht, Springer, 2005, pp. 15–24 (NATO Science Series II: Mathematics, Physics and Chemistry. Vol. 194).
35. Ellmer K., Klein A., Rech B., eds. Transparent conductive zinc oxide: basics and applications in thin film solar cells. Berlin, Springer, 2008. 443 p. (Springer Series in Materials Science (SSMATERIALS), vol. 104).
36. Asvarov A., Abduev A., Akhmedov A., Kanevsky V. On the Effect of the Co-Introduction of Al and Ga Impurities on the Electrical Performance of Transparent Conductive ZnO-Based Thin Films. In: Materials (Basel), 2022, vol. 15, iss. 17, pp. 5862. DOI: 10.3390/ma15175862.
37. Cohen D. J., Barnett S. A. Predicted electrical properties of modulation-doped ZnO-based transparent conducting oxides. In: Journal of Applied Physics, 2005, vol. 98, iss. 5, pp. 053705. DOI: 10.1063/1.2035898.
Полный текст статьи pdf
Кол-во скачиваний 16

Лицензия Creative Commons