金属氧化物由于其独特性质在集成电路、太阳能电池、化学传感与催化领域有着重要的作用。用于实现高质量的金属导电氧化物超表面在例如红外热控涂层以及非线性光学等领域来说有着十分重要的作用,传统超表面是通过离子刻蚀来加工得到周期性的结构阵列,近日,来自英国南安普顿大学的Otto L. Muskens教授团队通过局域等离子体氧化的方法实现了对金属氧化物“平面”超表面的加工,从而得到表面平整的超表面,即实现物理平面化但是光学上存在超表面结构。相关成果近日发表在《Advanced Materials》上。
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透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxides, TCOs)例如掺铟氧化锡(Indium-doped Tin Oxide,ITO)和掺铝氧化锌(Aluminum-doped Zinc Oxide,AZO)是一种宽带隙掺杂半导体,载流子浓度介于普通掺杂半导体和贵金属之间,大概范围为1019~1021 cm-3, TCOs在可见波段性质类似于绝缘体有很高的透射率,在红外波段性质类似于金属。由于其在可见光波段的高透射率以及低电阻率性质,TCOs已经广泛应用于平板显示以及光伏发电等领域。近年来,由于其能够通过图形化加工成超表面实现对电磁波进行调控、以及能通过电和光来进行调制,TCOs作为一种重要的光学以及电学材料收到广泛的关注。在TCOs中,相对于ITO,掺铝氧化锌(AZO)具有低成本以及无毒的优势,逐渐成为了在实际应用中最常见的材料。在掺铝氧化锌这些加工方式中,原子层沉积(ALD)具有能实现低温AZO沉积以及能得到台阶覆盖性好、可重复性高和均匀的薄膜等优势,在ALD过程中,AZO的载流子浓度能够通过改变沉积过程中的ZnO和Al2O3的周期数比来实现精确的调控。
AZO的载流子浓度对其光电性质有着很重要的影响,除了通过改变AZO中的Al原子含量来实现对载流子进行调控,AZO薄膜厚度、沉积温度和退火也对其有影响,上述这些方法只能改变薄膜的的载流子浓度,不能实现局域调控AZO的载流子浓度。为此,南安普顿大学团队开发出了一种利用氧等离子体AZO载流子浓度的区域调控技术。该团队通过对4%Al原子含量的AZO薄膜进行20分钟的氧等离子体处理, 通过电学和光学的测试发现AZO的载流子浓度能够降低五个数量级(从1021到1016 cm-3),如图1所示。如果在正常的AZO薄膜上加工出能阻挡氧等离子体扩散的薄膜,例如Si3N4,(如图2所示),然后进行氧等离子体处理以及去除阻挡层的操作,就能得到表面平整的超表面器件。AFM显示通过该方法得到的器件表面在物理上是平面化的。
基于这种新型的微纳结构图形化技术,制备出了两种器件。首先该团队制备出了一种可用于卫星辐射制冷功能的光学太阳能反射器(Optical Solar Reflector,OSR),通过氧等离子体图形化技术,制备出了一种表面光滑的OSR器件,与传统的刻蚀而加工的微纳结构OSR相比,在红外波段产生几乎相同的红外辐射光谱(如图3所示)。其次,该团队利用该技术在AZO光滑超表面上集成可见波段金超表面,实现了一种独立调控可见光波段以及红外波段的复合超表面器件(如图4所示)。导电氧化物薄膜的局域载流子调控为基于金属氧化物的光学和纳米电子学提供了一种新的图形化思路,同时为实现多波段调控的复合超表面器件开辟了一种新的途径。
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该研究提出的基于氧等离子的金属氧化物载流子区域调控技术提供了一种全新的器件制造技术并可实现传统制造工艺不可实现的全新结构的器件。同时,结合与其它报道的金属氧化物的特性,该技术可以用于其它的材料如氧化钛的调控。作者认为该技术具有在电子与光领域的广泛应用有待于挖掘。该技术已经于2019年申请专利。
原文引自“两江科技评论”微信公众号。
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上海复享光学股份有限公司(简称:复享光学)诞生于中国的高校实验室,是一家高科技型光谱仪器公司。公司为科学家和工程师提供光谱产品、系统、服务。“让光谱简单"是公司发展理念,“光谱改变生活”是公司的愿景。
公司专注光谱仪器发展超过八年,是目前国内最大的光纤光谱仪制造商和微纳光子学领域的领导企业,公司获得国家高新技术企业资质,于2016年登陆新三板(NEEQ:838781)。公司位于复旦大学科技创业园,目前拥有约40名高学历工程师。