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基于氧等離子體的局域氧化技術(shù)實(shí)現(xiàn)‘物理純平‘的光學(xué)超表面結(jié)構(gòu)
金屬氧化物由于其*性質(zhì)在集成電路、太陽(yáng)能電池、化學(xué)傳感與催化領(lǐng)域有著重要的作用。用于實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的金屬導(dǎo)電氧化物超表面在例如紅外熱控涂層以及非線性光學(xué)等領(lǐng)域來(lái)說(shuō)有著十分重要的作用，傳統(tǒng)超表面是通過(guò)離子刻蝕來(lái)加工得到周期性的結(jié)構(gòu)陣列，近日，來(lái)自英國(guó)南安普頓大學(xué)的Otto L. Muskens教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)局域等離子體氧化的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬氧化物“平面”超表面的加工，從而得到表面平整的超表面，即實(shí)現(xiàn)物理平面化但是光學(xué)上存在超表面結(jié)構(gòu)。相關(guān)成果近日發(fā)表在《Advanced Materials》上。
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透明導(dǎo)電氧化物（Transparent Conductive Oxides, TCOs）例如摻銦氧化錫（Indium-doped Tin Oxide,ITO）和摻鋁氧化鋅（Aluminum-doped Zinc Oxide,AZO）是一種寬帶隙摻雜半導(dǎo)體，載流子濃度介于普通摻雜半導(dǎo)體和貴金屬之間，大概范圍為1019~1021 cm-3, TCOs在可見波段性質(zhì)類似于絕緣體有很高的透射率，在紅外波段性質(zhì)類似于金屬。由于其在可見光波段的高透射率以及低電阻率性質(zhì)，TCOs已經(jīng)廣泛應(yīng)用于平板顯示以及光伏發(fā)電等領(lǐng)域。近年來(lái)，由于其能夠通過(guò)圖形化加工成超表面實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波進(jìn)行調(diào)控、以及能通過(guò)電和光來(lái)進(jìn)行調(diào)制，TCOs作為一種重要的光學(xué)以及電學(xué)材料收到廣泛的關(guān)注。在TCOs中，相對(duì)于ITO，摻鋁氧化鋅（AZO）具有低成本以及無(wú)毒的優(yōu)勢(shì)，逐漸成為了在實(shí)際應(yīng)用中/常見的材料。在摻鋁氧化鋅這些加工方式中，原子層沉積（ALD）具有能實(shí)現(xiàn)低溫AZO沉積以及能得到臺(tái)階覆蓋性好、可重復(fù)性高和均勻的薄膜等優(yōu)勢(shì)，在ALD過(guò)程中，AZO的載流子濃度能夠通過(guò)改變沉積過(guò)程中的ZnO和Al2O3的周期數(shù)比來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的調(diào)控。
AZO的載流子濃度對(duì)其光電性質(zhì)有著很重要的影響，除了通過(guò)改變AZO中的Al原子含量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)載流子進(jìn)行調(diào)控，AZO薄膜厚度、沉積溫度和退火也對(duì)其有影響，上述這些方法只能改變薄膜的的載流子濃度，不能實(shí)現(xiàn)局域調(diào)控AZO的載流子濃度。為此，南安普頓大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種利用氧等離子體AZO載流子濃度的區(qū)域調(diào)控技術(shù)。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)4%Al原子含量的AZO薄膜進(jìn)行20分鐘的氧等離子體處理， 通過(guò)電學(xué)和光學(xué)的測(cè)試發(fā)現(xiàn)AZO的載流子濃度能夠降低五個(gè)數(shù)量級(jí)（從1021到1016 cm-3），如圖1所示。如果在正常的AZO薄膜上加工出能阻擋氧等離子體擴(kuò)散的薄膜，例如Si3N4，（如圖2所示），然后進(jìn)行氧等離子體處理以及去除阻擋層的操作，就能得到表面平整的超表面器件。AFM顯示通過(guò)該方法得到的器件表面在物理上是平面化的。
基于這種新型的微納結(jié)構(gòu)圖形化技術(shù)，制備出了兩種器件。首先該團(tuán)隊(duì)制備出了一種可用于衛(wèi)星輻射制冷功能的光學(xué)太陽(yáng)能反射器（Optical Solar Reflector，OSR），通過(guò)氧等離子體圖形化技術(shù)，制備出了一種表面光滑的OSR器件，與傳統(tǒng)的刻蝕而加工的微納結(jié)構(gòu)OSR相比，在紅外波段產(chǎn)生幾乎相同的紅外輻射光譜（如圖3所示）。其次，該團(tuán)隊(duì)利用該技術(shù)在AZO光滑超表面上集成可見波段金超表面，實(shí)現(xiàn)了一種獨(dú)立調(diào)控可見光波段以及紅外波段的復(fù)合超表面器件（如圖4所示）。導(dǎo)電氧化物薄膜的局域載流子調(diào)控為基于金屬氧化物的光學(xué)和納米電子學(xué)提供了一種新的圖形化思路，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)多波段調(diào)控的復(fù)合超表面器件開辟了一種新的途徑。
該研究提出的基于氧等離子的金屬氧化物載流子區(qū)域調(diào)控技術(shù)提供了一種全新的器件制造技術(shù)并可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)制造工藝不可實(shí)現(xiàn)的全新結(jié)構(gòu)的器件。同時(shí)，結(jié)合與其它報(bào)道的金屬氧化物的特性，該技術(shù)可以用于其它的材料如氧化鈦的調(diào)控。作者認(rèn)為該技術(shù)具有在電子與光領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用有待于挖掘。該技術(shù)已經(jīng)于2019年申請(qǐng)專/利。
原文引自“兩江科技評(píng)論”微/信公眾號(hào)。
上海復(fù)享光學(xué)股份有限公司（簡(jiǎn)稱：復(fù)享光學(xué)）誕生于中國(guó)的高校實(shí)驗(yàn)室，是一家高科技型光譜儀器公司。公司為科學(xué)家和工程師提供光譜產(chǎn)品、系統(tǒng)、服務(wù)。“讓光譜簡(jiǎn)單"是公司發(fā)展理念，“光譜改變生活”是公司的愿景。
公司專注光譜儀器發(fā)展超過(guò)八年，是目前國(guó)內(nèi)/大的光纖光譜儀制造商和微納光子學(xué)領(lǐng)域的，公司獲得國(guó)家高/新技術(shù)企業(yè)資質(zhì)，于2016年登陸新三板（NEEQ:838781）。公司位于復(fù)旦大學(xué)科技創(chuàng)業(yè)園，目前擁有約40名高學(xué)歷工程師。