Forscher der Purdue University fanden heraus, dass sie durch Anpassen der Filmdicke von leitenden Nitriden und Oxiden, insbesondere von plasmonischem Titannitrid (TiN) und aluminiumdotiertem Zinkoxid (AZO), die optischen Eigenschaften der Materialien steuern können, insbesondere ihr Epsilon nahe Null (ENZ ) Verhalten. Die bei Purdue entwickelten TiN- und AZO-Materialien weisen auch die geringsten gemeldeten optischen Verluste auf. Dies stellt neue Anwendungen für das Telekommunikationsgebiet bereit und fördert die Untersuchung vieler optischer Nichtlinearitäten.
Vladimir M. Shalaev und Alexandra Boltasseva, Purdue-Professoren für Elektrotechnik und Computertechnik, und ihr Forscherteam unter der Leitung des damaligen Postdoktoranden Soham Saha untersuchten diese Methode zur Steuerung des ENZ-Punkts, der Wellenlänge, bei der ein Material weder dielektrisch noch ist metallisch.
Wenn Licht durch ein ENZ-Material wandert, verlangsamt sich seine Gruppengeschwindigkeit auf nahezu Null und es kann länger mit dem Material interagieren. Dies führt zu vielen interessanten Nichtlinearitäten. Bei den meisten herkömmlichen Materialien ist der ENZ-Punkt jedoch fest und schwer zu bewegen.
Die Forscher zeigten, dass die Dickenzuordnung der optischen Eigenschaften eines der am einfachsten zu manipulierenden Dinge ist, was es ihnen ermöglicht, Filme mit unterschiedlichen ENZ-Eigenschaften unter Verwendung derselben Wachstumsumgebung zu züchten. Durch die Anpassung der Dicke von Materialfilmen und die Steuerung der Lichtabsorption in der Nähe des ENZ-Regimes können Forscher die absolute ENZ-Physik in vielen verschiedenen Wellenlängenbereichen untersuchen. Das ermöglicht ein breites Spektrum nichtlinearer optischer Phänomene, darunter rein optisches Schalten, Zeitbrechung und Erzeugung hoher Harmonischer.
In ihrer Studie entwickelten die Forscher durch reaktives Magnetron-Sputtern verlustarme, polykristalline Filme aus TiN auf Silizium. AZO wurde durch gepulste Laserabscheidung auf dem so gewachsenen TiN gezüchtet. Sie untersuchten die Ursache der dickenabhängigen optischen Eigenschaften durch spektroskopische Ellipsometrie, Rasterkraftmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie und verbanden die optischen Eigenschaften mit ihren strukturellen Eigenschaften.
Als Machbarkeitsnachweis für ein dynamisches, abstimmbares Gerät demonstrierten die Forscher ein rein optisches Schalten der Resonatoren unter Verwendung einer Zwischenbandpumpe, die Pikosekunden-Relaxationszeiten zeigte.
Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Fortgeschrittene Werkstoffe.
Mehr Informationen:
Soham Saha et al, Tailoring the Thickness‐Dependent Optical Properties of Conducting Nitrides and Oxides for Epsilon‐Near‐Zero‐Enhanced Photonic Applications, Fortgeschrittene Werkstoffe (2022). DOI: 10.1002/adma.202109546