近零介电常数材料与结构研究

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透明导电氧化物(TCO)薄膜材料因具有近零介电常数(Epsilon-near-zero,ENZ)特性,且其介电常数可通过电场调控而受到研究者的广泛关注,但是实验上很难精确测量电控介电常数变化。本文研究了TCO材料(包括氧化铟锡(ITO)和氧化镉(CdO))的电控折射率调控效应。通过对ITO/SiO2/Si叠层加电测试和快速光谱椭偏仪分析,得到了ITO薄膜在不同氧分压下电控近零介电常数的变化过程,并用Drude模型对该动态变化过程规律进行了理论分析;通过计算得到了高迁移率材料CdO薄膜电调控下介电常数的变化规律。主要工作内容分为以下两个部分:1.基于ITO薄膜的电调控介电常数效应研究。我们通过改变工艺条件(沉积氧分压、沉积温度和退火温度),调控了ITO薄膜的光学常数和近零介电常数波长。我们使用光谱椭偏仪测试了沉积在不同氧分压下ITO薄膜的光学常数,基于Drude模型和Thomas-Fermi屏蔽模型,分别使用双层模型和梯度层模型拟合得到了ITO薄膜在不同电压下的介电常数的变化。两种模型均表明在10Pa下沉积的ITO薄膜,相同电场作用下光学常数变化最大,具体值如下:电场为2.5MV/cm时,双层模型中ITO累积层折射率和消光系数在1550nm波长变化分别达(35)n=0.061、(35)?=0.079,ENZ波长蓝移达27.9nm;电场为2.5MV/cm时,梯度层模型中ITO最近邻界面的累积层折射率和消光系数在1550nm波长下变化分别达(35)n=0.142、(35)?=0.275,ENZ波长蓝移达102.4nm。2.基于CdO薄膜的电控介电常数的研究。首先,根据Drude模型理论计算得到了CdO薄膜在不同介质层(包括SiO2和HfO2)下累积层电控光学常数的变化规律。具体规律如下:电场为5MV/cm时,介质层为SiO2和HfO2对应的累积层载流子浓度分别增加了1.08?1020cm-3、6.91?1020cm-3,ENZ波长分别蓝移了1.11?m、2.32?m,等离子体频率分别增加了0.54?1015rad/s、2.23?1015rad/s。在1550nm波长下,折射率分别减小了(35)n(SiO2)=0.28、(35)n(HfO2)=2.048,消光系数分别增加了(35)?(SiO2)=0.012、(35)?(HfO2)=1.642。证明采用高迁移率ENZ材料和高k氧化物薄膜可以实现电场对材料介电常数的有效调控。其次,在实验上采用脉冲激光沉积制备了CdO薄膜,表现为:氧分压的降低和退火温度的升高均使CdO薄膜中载流子浓度增加,从而使其折射率减小,消光系数增加。
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