上海光機所在厚度依賴損耗對ITO薄膜ENZ增強光學(xué)響應(yīng)的影響研究方面取得進展
近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所薄膜光學(xué)實驗室研究團隊在厚度依賴損耗對超薄ITO薄膜中ENZ（epsilon-near-zero）增強光學(xué)響應(yīng)的影響方面取得新進展。相關(guān)成果以“Thickness-dependent loss-induced failure of ideal ENZ-enhanced optical response in planar ultrathin transparent conducting oxide films”為題發(fā)表在Optics Express 上。 _P*<T6\J>
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ENZ材料獨特的ENZ場增強效應(yīng)被用于構(gòu)建多種基于平面ENZ薄膜的線性和非線性ENZ光學(xué)器件。然而，實際ENZ材料的損耗使得平面ENZ薄膜難以獲得顯著的ENZ行為。為此，超薄ENZ薄膜和級聯(lián)ENZ效應(yīng)被理論提出可增強ENZ場增強效應(yīng)，并獲得大的ENZ增強光學(xué)響應(yīng)。然而，這些理論方案忽略了ENZ材料的厚度依賴損耗問題。TCO是目前研究和應(yīng)用最為廣泛的ENZ材料。有關(guān)TCO薄膜的結(jié)構(gòu)、光學(xué)和電學(xué)性能隨厚度的演變規(guī)律的研究表明厚度可直接調(diào)控ENZ薄膜的光學(xué)特征，且厚度低于15nm的超薄ITO薄膜將轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)的島狀，這對深入理解和制備高性能TCO薄膜至關(guān)重要。然而，TCO薄膜厚度依賴損耗對ENZ增強光學(xué)響應(yīng)的影響還缺乏進一步研究，這是設(shè)計和制造基于TCO薄膜的高性能平面ENZ光子器件的另一關(guān)鍵問題。
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本工作以ITO薄膜為代表研究了TCO材料的厚度依賴損耗問題，并進一步研究ITO的厚度依賴損耗對單層ITO和ITO/SiO2多層堆棧的ENZ增強光學(xué)響應(yīng)的影響。實驗和理論結(jié)果表明ITO薄膜厚度從235 nm減小到52 nm，對應(yīng)ENZ點處的消光系數(shù)將從0.47增加到0.70，這導(dǎo)致52 nm單層ITO薄膜和4層ITO/SiO2多層堆棧結(jié)構(gòu)的最大ENZ場增強因子分別降低60%和45%。這種厚度依賴損耗導(dǎo)致的場增強因子降低將使基于超薄單層和級聯(lián)ENZ效應(yīng)的ENZ增強光學(xué)響應(yīng)失效，表現(xiàn)為52nm厚單層ITO薄膜的ENZ增強非線性吸收系數(shù)（-1.6×103 cm/GW）比235 nm 厚ITO薄膜(-8.6×103 cm/GW)低81%，而4層ITO/SiO2多層堆棧則降低42%。此外，厚度依賴損耗還會降低4層ITO/SiO2多層堆棧結(jié)構(gòu)的Berreman透射谷強度并加速熱電子弛豫。這些結(jié)果證實厚度和損耗的權(quán)衡是TCO薄膜的固有特征，低損耗超薄TCO薄膜是設(shè)計和制造基于平面超薄TCO薄膜的高性能ENZ器件的關(guān)鍵。 @dj 2#
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圖1.厚度依賴損耗對單層（a）和ITO/SiO2多層堆棧結(jié)構(gòu)（b）中ENZ場增強的影響；厚度依賴（c）和層數(shù)依賴（d）的有效非線性吸收系數(shù)。 |_J[n !~f7
該項研究獲得了國家重點研發(fā)計劃，國家自然科學(xué)基金、中國博士后面上資助項目以及中國科學(xué)院國際合作局對外合作重點項目的支持。 v"&Fj
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原文鏈接：https://doi.org/10.1364/OE.479098
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