НАСТРАИВАЕМЫЙ ПОСРЕДСТВОМ ПОЛЕВОГО ЭФФЕКТА ПОГЛОТИТЕЛЬ С БЛИЗКОЙ К НУЛЮ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ
FIELD-EFFECT TUNABLE ABSORBER WITH NEAR-ZERO DIELECTRIC PERMITTIVITY

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0002] Неприменимо.
УТВЕРЖДЕНИЕ В ОТНОШЕНИИ ФИНАНСИРУЕМЫХ ИЗ ФЕДЕРАЛЬНОГО БЮДЖЕТА ИССЛЕДОВАНИЙ ИЛИ РАЗРАБОТОК
[0003] Неприменимо.
ССЫЛКА НА ПРИЛОЖЕНИЕ
[0004] Неприменимо.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОМУ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0005] Область техники, к которой относится изобретение.
[0006] Настоящее раскрытие, в общем, относится к материалам с близкой к нулю диэлектрической проницаемостью (epsilon–near–zero – ENZ, эпсилон–вблизи–нуля), например, для обеспечения коэффициента поглощения лучистой энергии. Более конкретно, настоящее раскрытие относится к слоям нанотолщины ENZ–материалов, включающим в себя проводящие материалы, имеющим режим с близкой к нулю диэлектрической проницаемостью (ENZ–режим) для диэлектрической проницаемости на данной длине волны, для обеспечения высокого коэффициента поглощения энергии.
[0007] Описание предшествующего уровня техники.
[0008] Светособирающие и высокоразрешающие оптические технологии нуждаются в оптических покрытиях с сильным поглощением света. Для высокоуровневого («идеального») поглощения обычно требуются высокие оптические потери, большие толщины, или использование созданных нано– и метаматериалов. Большинство оптических диэлектрических материалов, таких как стекла, являются прозрачными в видимой и инфракрасной областях спектра. В отличие от них, металлы отражают свет вследствие высоких оптических потерь. Поскольку никакой класс материалов не обеспечивает удовлетворительное решение, существует значительный интерес к разработке новых оптических материалов, у которых поглощение может проектироваться посредством модификации свойств материалов. Относительно новые исследовательские работы в области метаматериалов рассматриваются как возможность для собирания и поглощения света, поскольку их точная форма, геометрия, размер, ориентация и расположение создают свойства материалов, которые рассматриваются некоторыми как недостижимые для общепринятых материалов. Инженеры способны управлять распространением световой волны посредством расположения единичных ячеек разными способами на основе применения этих материалов. Однако эта технология является сложной и дорогостоящей.
p
p
ENZ
p
ENZ
p
p
2
2
19
21
–3
[0009] В недавних исследованиях было предположено, что материалы с близкой к нулю диэлектрической проницаемостью (ENZ) могут быть полезными для создания высокоэффективных ультратонкопленочных поглотителей. Ультратонкие ENZ–слои поддерживают излучательные моды Берремана (выше линии света) и связанные ENZ–моды (ниже линии света). Возбуждение этих мод приводит к резонансному поглощению света. Считается, что ENZ–материалы, в общем, включают в себя полупроводники, сильно легированные металлами или полуметаллами. Примеры ENZ–материалов включают в себя по меньшей мере частично прозрачные проводящие оксиды (transparent conducting oxides – TCO), такие как оксид индия и олова (Indium Tin Oxide – ITO) и оксид алюминия и цинка (Aluminium Zinc Oxide – AZO), и нитриды переходных металлов и другие материалы. Диэлектрическая проницаемость ENZ–материалов изменяется при разных частотах от диэлектрической проницаемости металлов, через область от малой до нулевой диэлектрической проницаемости (ENZ–режим), до диэлектрической проницаемости диэлектрических материалов. Очень низкая групповая скорость электромагнитной волны в ENZ–материалах замедляет отвод энергии из объема возбуждения и приводит увеличенным полям и высокой функции потерь. Если диэлектрическая проницаемость описывается моделью Друде, ε=ε∞ – ω / (ω+iγω), где ω является плазменной частотой и γ является частотой столкновений электронов, то тогда частота ENZ (Re(ε) = 0) составляет ω ≈ ω для γ→0 и функция потерь, L(ω) ≈ ω/γ → ∞. ENZ–материалы имеют собственные оптические потери γ << ω и плазменную частоту, которая может быть спроектирована посредством управления условиями осаждения, и обычно высокую концентрацию носителей заряда от 10 до 10 см. Например, TCO–материалы могут демонстрировать ENZ–режимы, в частности, на телекоммуникационных длинах волн от 1,3 до 1,5 мкм.
[0010] Таким образом, существует потребность в улучшенной системе и способе использования ENZ–материалов, которые могут обеспечить высокие уровни широкополосного коэффициента поглощения для энергии в видимой, ближней инфракрасной (IR) и ультрафиолетовой (UV) области спектра.
КРАТКАЯ СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0011] Настоящее раскрытие обеспечивает систему и способ для настраиваемого ENZ–материала, который может изменять поглощение лучистой энергии. Настраиваемый ENZ–материал может действовать в качестве широкополосного поглотителя, предпочтительно с использованием пакета ультратонких проводящих слоев, имеющих режим с близкой к нулю диэлектрической проницаемостью (ENZ) для диэлектрической проницаемости на разных длинах волн. Проводящие материалы могут включать в себя по меньшей мере частично прозрачные проводящие слои оксидов или нитридов переходных металлов с разными концентрациями электронов и, следовательно, разными ENZ–частотами для обеспечения широкого диапазона поглощения энергии. Слой (слои) может прямо настраиваться на различные частоты для достижения высоких уровней поглощения на глубинных субволновых ENZ–толщинах. Прикладываемое электрическое смещение может создавать обогащенную электронами область / обедненную область в полупроводниковом ENZ–устройстве и позволяет управлять плазменной частотой и, следовательно, высокими уровнями поглощения в устройстве. Дополнительно, для пакета слоев, концентрация носителей заряда может меняться от слоя к слою.
[0012] Высокоэффективные поглотители могут быть использованы в светособирающих технологиях, гелиоконцентраторах, парогенераторах и бойлерах, в дистилляции воды, тепловых излучателях, эффективных детекторах излучения, оптических покрытиях, в том числе в покрытиях с очень малым коэффициентом отражения для уменьшения паразитных отражений, лазерах, высокоразрешающих оптических инструментах, камерах, КМОП–датчиках и других датчиках, поляризаторах, в качестве ультратонкой нелинейной оптической среды, в магнитно–оптических устройствах, и других применениях. Высокоэффективные поглотители могут также повысить качество высокоразрешающих камер и охлаждающей чувствительной электроники. Нелинейная ENZ–среда может также улучшить конструкцию реконфигурируемых и настраиваемых нелинейных устройств для технологий сверхскоростной наномерной связи, визуализации, и отображения.
[0013] Настоящее раскрытие обеспечивает электронное устройство, содержащее: по меньшей мере один слой проводящего материала, имеющий режим с близкой к нулю диэлектрической проницаемостью (ENZ) для диэлектрической проницаемости на данной длине волны и выполненный с возможностью настраиваться для изменения диэлектрической проницаемости прикладываемым электрическим смещением.
[0014] Настоящее раскрытие обеспечивает электронное устройство, содержащее: пакет из множества проводящих слоев, имеющих режим с близкой к нулю диэлектрической проницаемостью (ENZ) для диэлектрической проницаемости на данной длине волны, причем по меньшей мере два слоя из этих слоев имеют разные ENZ–режимы и выполнены с возможностью поглощать свет на разных частотах.
[0015] Настоящее раскрытие обеспечивает способ использования электронного устройства, имеющего по меньшей мере один слой проводящего материала, имеющий режим с близкой к нулю диэлектрической проницаемостью (ENZ) для диэлектрической проницаемости на данной длине волны, причем способ содержит этапы, на которых: прикладывают электрическое смещение к устройству; и настраивают устройство для поглощения различных частот света.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ НЕКОТОРЫХ ВИДОВ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0016] Файл патента или заявки содержит по меньшей мере один чертеж, выполненный в цвете. Копии этого патента или публикации заявки на патент с цветным чертежом (чертежами) будет обеспечиваться Офисом по запросу и после оплаты необходимого сбора.
[0017] Фиг. 1А является схематичной диаграммой примера многослойного пакета с металлическим отражателем, дистальным в пакете относительно исходного падения света.
[0018] Фиг. 1В является схематичной диаграммой другого примера многослойного пакета с материалом с высоким показателем преломления со стороны исходного падения света.
[0019] Фиг. 1С является схематичной диаграммой другого примера единственного слоя с материалом с высоким показателем преломления со стороны исходного падения света.
[0020] Фиг. 2А является схематичным графиком коэффициента поглощения примера многослойного пакета с ENZ, показанного на фиг. 1А, вследствие p–поляризованного возбуждения излучательной моды Берремана, для переменных толщин в зависимости от переменных углов падения на фиксированной длине волны возбуждения.
[0021] Фиг. 2В является схематичным графиком коэффициента поглощения примера многослойного пакета с ENZ, показанного на фиг. 1В, вследствие p–поляризованного возбуждения связанной ENZ–моды для переменных толщин в зависимости от переменных углов падения на фиксированной длине волны возбуждения.
[0022] Фиг. 2С является другим схематичным графиком коэффициента поглощения примера многослойного пакета с ENZ, показанного на фиг. 1А, вследствие p–поляризованного возбуждения излучательной моды Берремана, для переменных длин волн в зависимости от переменных углов падения.
[0023] Фиг. 2D является другим схематичным графиком коэффициента поглощения примера многослойного пакета с ENZ, показанного на фиг. 1В, вследствие p–поляризованного возбуждения связанной ENZ–моды для переменных длин волн в зависимости от переменных углов падения.
[0024] Фиг. 2Е является схематичным графиком напряженности электрического поля на примере многослойного пакета с ENZ, показанном на фиг. 1А, для переменных длин волн при фиксированном угле падения.
[0025] Фиг. 2F является схематичным графиком напряженности электрического поля на примере многослойного пакета с ENZ, показанном на фиг. 1В, для переменных длин волн при фиксированном угле падения.
[0026] Фиг. 2G является схематичным графиком коэффициента поглощения примера многослойного пакета с ENZ, показанного на фиг. 1А, вследствие p–поляризованного возбуждения излучательной моды Берремана, для переменных толщин в зависимости от переменных длин волн возбуждения при фиксированном угле падения.
[0027] Фиг. 2Н является схематичным графиком коэффициента поглощения примера многослойного пакета с ENZ, показанного на фиг. 1В, вследствие p–поляризованного возбуждения связанной ENZ–моды для переменных толщин в зависимости от переменных длин волн возбуждения при фиксированном угле падения.
[0028] Фиг. 3А является схематичным графиком спектров поглощения в зависимости от излучательной моды Берремана и связанной ENZ–моды.
[0029] Фиг. 3В является схематичным графиком коэффициента поглощения в зависимости от энергии падающего света для трех примеров нанослоев с переменными плотностями электронов.
[0030] Фиг. 3С является схематичным графиком коэффициента поглощения в зависимости от длины волны падающего света для трех примеров нанослоев с переменными плотностями электронов фиг. 3В.
[0031] Фиг. 4А является схематичной диаграммой примера структуры металл–оксид–полупроводник (МОП), имеющей ENZ–слой, который является настраиваемым посредством полевого эффекта.
[0032] Фиг. 4В является схематичным графиком примера пространственного распределения концентрации N носителей заряда для разных напряжений, приложенных к ENZ–слою, показанному на фиг. 4А.
[0033] Фиг. 5 является схематичным графиком примера коэффициента поглощения ENZ–слоя, подобного устройству, показанному на фиг. 4А, для разных приложенных напряжений при фиксированном угле падения.
[0034] Фиг. 6А является схематичным графиком измеренного коэффициента поглощения в зависимости от длин волн для единственного слоя с материалом с высоким показателем преломления со стороны исходного падения света в структуре фиг. 1В.
[0035] Фиг. 6В является схематичным графиком измеренных и смоделированных дисперсионных характеристик моды Берремана в ITO–нанослое толщиной 15 нм.
[0036] Фиг. 7А является схематичной диаграммой возбуждения ENZ–моды в AZO–многослойной конфигурации Кречмана–Райтера, такой как конфигурация, показанная на фиг. 1A и 1B.
[0037] Фиг. 7В является схематичной диаграммой излучательной моды Берремана в AZO–многослойной конфигурации, такой как конфигурация, показанная на фиг. 1A.
[0038] Фиг. 7С является схематичной диаграммой конфигурации связанной ENZ–моды с материалом с высоким показателем преломления для падающего света без призмы, показанной на фиг. 1В.
[0039] Фиг. 8А является схематичным графиком зависимости от длины волны вещественной и мнимой частей диэлектрической проницаемости каждого единственного AZO–слоя, показанного на фиг. 7A–С.
[0040] Фиг. 8В является схематичным графиком вычисленных коэффициентов отражения p–поляризованного (TM) света AZO–мультислоев в конфигурации моды Берремана фиг. 7В.
[0041] Фиг. 8С является схематичным графиком вычисленных коэффициентов отражения TM–света AZO–мультислоев в конфигурации ENZ–моды фиг. 7С.
[0042] Фиг. 9А является схематичным графиком смоделированного соотношения коэффициентов отражения TM– и s–поляризованного (TE) света в конфигурации Кречмана–Райтера для широкополосного AZO–поглотителя с конфигурацией моды Берремана.
[0043] Фиг. 9В является схематичным графиком экспериментально определенного соотношения коэффициентов отражения TM– и TE–света в конфигурации Кречмана–Райтера для широкополосного AZO–поглотителя с конфигурацией моды Берремана.
[0044] Фиг. 9С является схематичным графиком смоделированного соотношения коэффициентов отражения TM– и TE–света в конфигурации Кречмана–Райтера для широкополосного AZO–поглотителя с конфигурацией ENZ–моды.
[0045] Фиг. 9D является схематичным графиком экспериментально определенного соотношения коэффициентов отражения TM– и TE–света в конфигурации Кречмана–Райтера для широкополосного AZO–поглотителя с конфигурацией ENZ–моды.
[0046] Фиг. 10 является схематичным графиком плотности электронов на границе оксид–ITO смоделированного идеального МОП–поглотителя с полевым эффектом при приложенном смещении.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0047] Фигуры, описанные выше, и письменное описание конкретных структур и функций, приведенное ниже, представлены не для ограничения объема того, что Заявитель изобрел, или объема прилагаемой формулы изобретения. Скорее, эти фигуры и письменное описание обеспечены для того, чтобы научить любого специалиста в данной области техники реализовывать и использовать настоящее изобретение, для которого испрашивается патентная охрана. Специалисты в данной области техники поймут, что для ясности и легкости понимания описаны или показаны не все признаки коммерческого варианта осуществления авторов изобретения. Специалисты в данной области техники также поймут, что разработка реального коммерческого варианта осуществления, включающего в себя аспекты настоящего раскрытия, потребуют многочисленных специфических для реализации решений для достижения конечной цели разработчика в отношении коммерческого варианта осуществления. Такие специфические для реализации решения могут включать в себя, и вероятно не ограничены этим, обеспечение соответствия ограничениям, связанным с системой, видом экономической деятельности, государством, и другим ограничениям, которые могут изменяться в конкретных реализациях или местоположениях или с течением времени. В то время как усилия разработчика могут быть сложными и занимающими много времени в абсолютном смысле, такие усилия могут быть, тем не менее, общепринятой практикой, осуществляемой специалистами в данной области техники, получающими выгоду от этого раскрытия. Следует понимать, что настоящее изобретение, раскрытое и описанное здесь, допускает многочисленные и различные модификации и альтернативные формы. Использование формы единственного числа не предполагает ограничения числа элементов. Дополнительно, различные способы и варианты осуществления системы могут быть включены в комбинации друг с другом для создания вариантов раскрытых способов и вариантов осуществления. Описание элементов в единственном числе может включать в себя множественные элементы и наоборот. Ссылки на по меньшей мере один элемент могут включать в себя один или несколько элементов. Также, различные аспекты вариантов осуществления могут быть использованы друг с другом для достижения понятых целей раскрытия. Следует понимать, что если контекст не требует иного, то термин «содержать» или его варианты, такие как «содержит» или «содержащий», как предполагается, включают в себя по меньшей мере заданный элемент или этап или группу элементов или этапов или их эквиваленты и не исключают большую численную величину и никакие другие элементы или этапы или группы элементов или этапов или их эквиваленты. Устройство или система могут быть использованы в ряде направлений и ориентаций. Порядок этапов может реализовываться множеством последовательностей, если нет конкретных ограничений. Различные этапы, описанные здесь, могут быть объединены с другими этапами, вставлены между заданными этапами, и/или разбиты на множественные этапы. Некоторые элементы называются устройством для простоты, и можно понять, что они включают в себя систему или секцию, например, процессор может включать в себя систему обработки из связанных компонентов, которые известны специалистам в данной области техники и могут не описываться конкретно.
[0048] Настоящее раскрытие обеспечивает систему и способ для настраиваемого ENZ–материала, который может изменять поглощение лучистой энергии. Настраиваемый ENZ–материал может действовать в качестве широкополосного поглотителя, предпочтительно с использованием пакета ультратонких проводящих слоев, имеющих режим с близкой к нулю диэлектрической проницаемостью (ENZ) для диэлектрической проницаемости на разных длинах волн. Проводящие материалы могут включать в себя по меньшей мере частично прозрачные проводящие слои оксидов или нитридов переходных металлов с разными концентрациями электронов и, следовательно, разными ENZ–частотами для обеспечения широкого диапазона поглощения энергии. Слой (слои) может прямо настраиваться на различные частоты для достижения высоких уровней поглощения на глубинных субволновых ENZ–толщинах. Прикладываемое электрическое смещение может создавать обогащенную электронами область / обедненную область в полупроводниковом ENZ–устройстве и позволяет управлять плазменной частотой и, следовательно, высокими уровнями поглощения в устройстве. Дополнительно, для пакета слоев, концентрация носителей заряда может меняться от слоя к слою.
[0049] Фиг. 1А является схематичной диаграммой примера многослойного пакета с металлическим отражателем, дистальным в пакете относительно исходного падения света. Фиг. 1В является схематичной диаграммой другого примера многослойного пакета с материалом с высоким показателем преломления со стороны исходного падения света. Фиг. 1С является схематичной диаграммой другого примера единственного слоя с материалом с высоким показателем преломления со стороны исходного падения света. Пример широкополосного поглотителя был создан с использованием пакета ультратонких ITO–слоев с последовательно отличными концентрациями электронов и, следовательно, разными ENZ–частотами. Ультратонкие ENZ–слои поддерживают излучательную моду Берремана и связанную ENZ–моду. Возбуждение этих мод в двух разных конфигурациях падения света приводит к резонансному поглощению.
[0050] Предполагается, что эта конструкция предпочтительно обеспечивает функциональные, настраиваемые устройства в отличие от фиксированной конструкции; относительно легкое изготовление по сравнению с созданными метаматериалами; большие площади полезного материала в отличие от сложнопроектируемых наноструктур из метаматериалов, имеющих ограниченную площадь; и ультратонкие устройства с примером общей толщины пакета, составляющим около 100 нм или менее, около 40 нм или менее, около 20 нм или менее, или около 10 нм или менее, и любое промежуточное значение или менее.
[0051] Примеры многослойного пакета с ENZ, показанные на фиг. 1A и 1B, составлены из четырех ITO–нанослоев, обозначенных N1–N4 на фиг. 1В, причем соответствующие слои показаны на фиг. 1А. Наномерный ITO–многослойный пакет может быть изготовлен, например, посредством атомно-слоевого осаждения. Слой N1 является ENZ–слоем, через который падающий свет под углом θ исходно входит в ENZ–пакет. На фиг. 1А, концентрация электронов уменьшается, и ENZ–длина волны увеличивается, от верхней к нижней части многослойного пакета. Многослойный пакет с ENZ на фиг. 1А поддерживается, например, толстым золотым отражателем. На фиг. 1В, концентрация электронов уменьшается, и ENZ–длина волны увеличивается, от нижней к верхней части многослойного пакета. Многослойный пакет с ENZ на фиг. 1В поддерживается, например, призматическим толстым стеклом с высоким показателем преломления. Фиг. 1С показывает призматическое толстое стекло с высоким показателем преломления (такое как гадолиний–галлиевый гранат (gadolinium gallium garnet – GGG)) с ITO–слоем и металлическим отражателем (таким как золото). Фиг. 1С включает в себя элементы фигур 1А и 1В и может быть другой иллюстрацией излучательной моды Берремана возбуждения. Эта фигура показывает единственный слой между стеклом с высоким показателем преломления и металлическим отражателем, и показанная структура может быть модифицирована таким образом, чтобы она стала многослойным пакетом.
[0052] Ультратонкий слой является чувствительным к приложению электрического смещения, поскольку накопление электронов в области накопления слоя оказывает на ультратонкий слой большее влияние, чем на толстый слой, который является менее чувствительным. Толщина слоя может считаться субволновой толщиной, включающей в себя, без ограничения, толщины, составляющие около 1/50 или менее от длины волны, около 1/75 или менее от длины волны, или около 1/100 или менее от длины волны, и любую промежуточную толщину или менее. Альтернативно, толщина слоя может быть выражена в виде соотношения с областью накопления слоя, описанного более подробно ниже. Отношение толщины слоя к толщине области накопления в слое, без ограничения, может составлять 20:1 или менее, 10:1 или менее, 5:1 или менее, 1:1 или менее, и любые промежуточные отношения или менее. В качестве дополнительной альтернативы, толщина слоя может быть выражена в простых значениях измерения, таких как 40 нм или менее, 20 нм или менее, 10 нм или менее, 8 нм или менее, 5 нм или менее, 2 нм или менее, или любое промежуточное значение или менее.
[0053] В то время как пример структуры предпочтительно показывает пакет слоев, следует понимать, что принципы, раскрытые здесь, могут быть применены к единственному слою. Единственный ультратонкий слой может быть изготовлен из заданного материала и с заданной концентрацией носителей заряда для поглощения требуемой частоты в ENZ–области. Единственный слой может быть легирован или, иначе, может быть образован таким образом, чтобы была возможность настраивать его способности поглощения посредством приложения электрического смещения разной величины для воздействия на ENZ–область в слое.
[0054] Пакет слоев обеспечивает увеличенный диапазон ENZ–областей и, следовательно, расширяет диапазон поглощения данного света, проходящего через пакет. Электрическое смещение, прикладываемое к пакету, в общем, воздействует на область накопления слоя, воздействуя на ENZ–область и поглощение этого слоя и на результирующее поглощение пакета.
Пример 1:
[0055]
[0056] Коэффициент поглощения p–поляризованного (TM) света в зависимости от угла падения и толщины ITO и длины волны показан на этих фиг. 2A–2F. Коэффициент поглощения вычислен с использованием программного средства IMD. Оптические свойства ITO смоделированы с использованием модели Друде свободных электронов. Масштабная шкала интенсивностей находится в правой части некоторых фигур.
21
–3
20
–3
20
–3
20
–3
[0057] Фиг. 2А является схематичным графиком коэффициента поглощения примера многослойного пакета с ENZ, показанного на фиг. 1А, вследствие p–поляризованного (ТМ) возбуждения излучательной моды Берремана, для переменных толщин в зависимости от переменных углов падения на фиксированной длине волны возбуждения. Например, концентрации носителей заряда ITO–нанослоев составляют N1=1⋅10 см, N2=8⋅10 см, N3=6,1⋅10 см, и N4=4,9⋅10 см. Коэффициент поглощения относится к возбуждению излучательной моды Берремана для структуры. Длина волны возбуждения зафиксирована на 1020 нм в качестве примера. График показывает, что наибольшее поглощение может быть обеспечено при толщине ITO, находящейся между толщинами около 10 и 30 нм в ENZ–мультислоях.
[0058] Фиг. 2В является схематичным графиком коэффициента поглощения примера многослойного пакета с ENZ, показанного на фиг. 1В, вследствие p–поляризованного возбуждения связанной ENZ–моды для переменных толщин, в зависимости от переменных углов падения на фиксированной длине волны возбуждения. Коэффициент поглощения относится к возбуждению связанной ENZ–моды в конфигурации Кречмана–Райтера. Конфигурация Кречмана–Райтера используется для обеспечения резонанса между светом и свободными электронами металлической поверхности. В этой конфигурации, призма из материала с высокой диэлектрической проницаемостью и высоким показателем преломления сопряжена с металлической пленкой. Свет из источника, который распространяется через призму, падает на металлическую пленку. Вследствие полного отражения падающего света, некоторый свет проникает через металлическую пленку и образует нераспространяющуюся волну в диэлектрической среде. Нераспространяющаяся волна проникает на характеристическое расстояние в менее оптически плотную среду, где она затухает. Длина волны возбуждения в качестве примера зафиксирована на 1540 нм. График показывает, что наибольшее поглощение может быть обеспечено между толщинами около 8 и 12 нм в ENZ–мультислоях, таким образом, диапазон толщин сузился вокруг очень малых толщин по сравнению с результатами на фиг. 2А.
[0059] Фиг. 2С является другим схематичным графиком коэффициента поглощения примера многослойного пакета с ENZ, показанного на фиг. 1А, вследствие p–поляризованного возбуждения излучательной моды Берремана, для переменных длин волн в зависимости от переменных углов падения. В целях иллюстрации, толщины четырех ITO–слоев равны и зафиксированы на 11 нм. Изменение частоты приводит к относительно малому диапазону углов падения, и наоборот, для обеспечения высокого уровня коэффициента поглощения. Коэффициент поглощения, больший 95%, наблюдался для этого многослойного пакета.
[0060] Фиг. 2D является другим схематичным графиком коэффициента поглощения примера многослойного пакета с ENZ, показанного на фиг. 1В, вследствие p–поляризованного возбуждения связанной ENZ–моды для переменных длин волн в зависимости от переменных углов падения. В качестве примера, толщины четырех ITO–слоев равны и зафиксированы на 11 нм. Иллюстративные параметры приводят к резонансному поглощению света выше угла падения, составляющего около 60 градусов. Оптимальный уровень поглощения продолжается в более широком диапазоне длин волн, составляющем 1000–1500 нм, чем поглощение вследствие моды Берремана, показанное на фиг. 2С. Коэффициент поглощения, больший 95%, наблюдался для этого многослойного пакета.
[0061] Фиг. 2Е является схематичным графиком напряженности электрического поля на примере многослойного пакета с ENZ, показанном на фиг. 1А, для переменных длин волн при фиксированном угле падения. Угол падения в качестве примера составлял 64 градуса. Нулевая глубина соответствует поверхности мультислоя, обращенной к падающему свету.
[0062] Фиг. 2F является схематичным графиком напряженности электрического поля на примере многослойного пакета с ENZ, показанном на фиг. 1В, для переменных длин волн для каждого слоя при фиксированном угле падения. Угол падения в качестве примера составлял 64 градуса. Нулевая глубина соответствует поверхности мультислоя, обращенной к падающему свету. Существует большое увеличение напряженности поля во внутренних ITO–слоях на ENZ–длинах волн.
[0063] Фиг. 2G является схематичным графиком коэффициента поглощения примера многослойного пакета с ENZ, показанного на фиг. 1А, вследствие p–поляризованного возбуждения излучательной моды Берремана, для переменных толщин в зависимости от переменных длин волн возбуждения при фиксированном угле падения. Угол падения составлял 70 градусов. Широкополосное поглощение может быть обеспечено при толщине ITO, составляющей ~ 10–30 нм, в ENZ–мультислоях.
[0064] Фиг. 2Н является схематичным графиком коэффициента поглощения примера многослойного пакета с ENZ, показанного на фиг. 1В, вследствие p–поляризованного возбуждения связанной ENZ–моды для переменных толщин в зависимости от переменных длин волн возбуждения при фиксированном угле падения. Угол падения составлял 35 градусов. График показывает высокое поглощение (90% или более, предпочтительно 95% или более, и более предпочтительно 99% или более) с шириной спектра, составляющей около 1000–1500 нм.
[0065] Фиг. 3А является схематичным графиком спектров поглощения в зависимости от излучательной моды Берремана и связанной ENZ–моды. Начиная слева, первая кривая представляет результаты излучательной моды Берремана, и вторая кривая представляет результаты связанной ENZ–моды. В качестве примера, слои были ITO–слоями толщиной 8 нм. График показывает, что высокий уровень поглощения может быть обнаружен в очень малой толщине материала. График также показывает, что связанная ENZ–мода имеет высокий коэффициент поглощения в широком диапазоне длин волн, составляющем 1,1–1,6 мкм, в отличие от более узкого диапазона моды Берремана. Коэффициент поглощения, больший чем 95% для диапазона длин волн выше 500 нм, продемонстрирован для связанной ENZ–моды.
20
–3
21
–3
21
–3
[0066] Фиг. 3В является схематичным графиком коэффициента поглощения в зависимости от энергии падающего света для трех примеров нанослоев с переменными плотностями электронов. Фиг. 3С является схематичным графиком коэффициента поглощения в зависимости от длины волны падающего света для трех примеров нанослоев с переменными плотностями электронов фиг. 3В. Без ограничения и в качестве примера, материалом является ITO и плотностями электронов, составляющими 5⋅10 см, 1⋅10 см, и 2⋅10 см при угле падения, составляющем 60 градусов. Заштрихованные области представляют излучательные моды Берремана. Линии без штриховки представляют связанные ENZ–моды. Ширина коэффициента поглощения пропорциональна частоте столкновений электронов в модели Друде электрической диэлектрической проницаемости.
[0067] Пример 2:
[0068] Фиг. 4А является схематичной диаграммой примера структуры металл–оксид–полупроводник (МОП), имеющей ENZ–слой, который является настраиваемым посредством полевого эффекта. Настраиваемое поглощение может быть обеспечено посредством полевого эффекта. МОП–конфигурация может быть подобной электронному полевому транзистору с TCO. Накопление электронов происходит в TCO на границе TCO–изолятор, когда смещение прикладывается между металлом и TCO. Накопление электронов модифицирует комплексную диэлектрическую проницаемость TCO. Накопление электронов увеличивает плазменную и ENZ–частоту и, таким образом, приводит к синему смещению максимума поглощения по длине волны. Модель коммерческого устройства, которая самосогласованно решает уравнения Пуассона и дрейфа–диффузии, использовалась для вычисления распределения электронов в МОП–устройстве.
2
2
2
D
20
–3
[0069] Фиг. 4В является схематичным графиком примера пространственного распределения концентрации N электронов для разных напряжений, прикладываемых к ENZ–слою, показанному на фиг. 4А. Иллюстративное МОП–устройство включает в себя металлическую подложку, единственный ITO–слой толщиной 8 нм, и слой диэлектрического изолятора толщиной 5 нм между ними. Диэлектрический изолятор, в общем, имеет высокую диэлектрическую проницаемость и может быть, например, диоксидом гафния (HfO). В этом примере, фоновая концентрация носителей заряда в ITO составляет N0=6⋅10 см. Концентрация носителей заряда в ITO на границе HfO/ITO значительно увеличивается/уменьшается по сравнению с объемным значением при приложении смещения, равного 5 В, что приводит к изменению диэлектрической проницаемости εr для разных прикладываемых смещений на видимой или NIR рабочей длине волны. Диэлектрическая проницаемость ITO по существу изменяется в области в пределах около 1–2 нм от границы HfO/ITO вследствие образования слоя обеднения/накопления. Таким образом, «идеальное» поглощение (составляющее здесь по меньшей мере 95%, или предпочтительно по меньшей мере около 97%, или более предпочтительно по меньшей мере 99%) возможно в ультратонких нанослоях; имеющих толщину, t, приближающуюся к области пространственного заряда, l, обычных МОП–устройств, таких как транзистор в компьютере, при малых приложенных электрических полях:
D
t < 10 нм ~ l ≈ 1–2 нм
21
–3
2
2
[0070] Фиг. 5 является схематичным графиком примера коэффициента поглощения ENZ–слоя, подобного устройству, показанному на фиг. 4А, для разных приложенных напряжений при фиксированном угле падения. Вставка показывает отличие коэффициентов поглощения в процентах (%). График показывает коэффициент поглощения ультратонкого ITO–слоя толщиной 4 нм с концентрацией электронов, составляющей 2⋅10 см, и подвижностью, составляющей 31 cm/(Vs). Средой падения света является TiO (рутил), и угол падения света составляет 60 градусов. Значениями смещения являются, например: смещение 5 В (левая кривая) и нулевое смещение (правая кривая). Вертикальная пунктирная линия показывает ENZ–длину волны.
[0071] Большее изменение поглощения, например, более чем на 300%, наблюдается вследствие большего увеличения поля в слое накопления. Эти результаты открывают путь к разработке ультратонких настраиваемых ENZ–поглотителей и тонкопленочных модуляторов.
Пример 3:
[0072]
[0073] Фиг. 6А является схематичным графиком измеренного коэффициента поглощения в зависимости от длин волн для единственного слоя с материалом с высоким показателем преломления со стороны исходного падения света в структуре фиг. 1В. Эксперимент проводили для исследования коэффициента поглощения и дисперсии ультратонких поглотителей Берремана и ENZ–поглотителей.
[0074] Фиг. 6В является схематичным графиком измеренных и смоделированных дисперсионных характеристик моды Берремана в ITO–нанослое толщиной 15 нм.
3
[0075] Пленки ITO вырастили посредством радиочастотного (radio frequency – RF) магнетронного напыления на подложки из диоксида кремния. Температура напыления и давление процесса составляли 400°С и 5 мторр, соответственно. RF–мощность составляла 50 Вт, и расход Ar составлял 40 см/мин.
[0076] Для измерения коэффициента поглощения образцов, линейно поляризованный и коллимированный свет от суперконтинуального (supercontinuum – SC) лазера, имеющего широкий диапазон длин волн, составляющий 600–1700 нм, падал на ITO–нанослой посредством связывающей GGG–призмы в конфигурации Кречмана–Райтера, такой как конфигурация, показанная на фиг. 1С. Связывающая призма и зажимное приспособление для тестового образца устанавливались на поворотный координатный стол с приводом (угол поворота составлял θ). Свет, отраженный от ITO–нанослоя, собирали многомодовым оптическим волокном, зафиксированном на втором координатном столе (угол поворота составлял 2θ). Как для s–состояния, так и для p–состояния поляризации падающего света, спектр отраженного света записывали оптическим спектрометром. Эта установка позволяла проводить измерения коэффициента отражения в широком угловом диапазоне с угловой точностью, составлявшей 0,01°.
[0077] Фиг. 6А показывает экспериментальный коэффициент зеркального отражения, измеренный от двух ITO–нанослоев как для возбуждения моды Берремана (верхняя линия до минимума), так и для возбуждения ENZ–моды (нижняя линия до минимума) в конфигурации Кречмана–Райтера. Мода Берремана может использовать, например, структуру как на фиг. 1С. ENZ–мода может использовать, например, структуру, подобную структуре на фиг. 1В, но с единственным слоем. Минимум коэффициента отражения является следствием ENZ–резонансного поглощения света в ITO–нанослое. Коэффициент поглощения, составляющий 99,5% (–23 дБ) наблюдается в ITO–нанослоях субволновой толщины, составляющей 15 нм и 80 нм для моды Берремана и ENZ–моды, соответственно. Мода Берремана измерена в ITO–слое толщиной 15 нм при угле падения, составляющем 47,6°, и ENZ–мода измерена в ITO–слое толщиной 80 нм при угле падения, составляющем 43,7°. Дисперсионная характеристика измеренной моды Берремана построена на фиг. 6В (показана окружностями). Эта характеристика хорошо согласуется со смоделированной зависимостью (показана линией). Малое расхождение может относиться к малому несоответствию показателей преломления согласующей показатели преломления жидкости и GGG–призмы. Хорошее согласование для поглотителя с единственным слоем указывает на точность анализа.
[0078] Пример 4:
[0079] Фиг. 7А является схематичной диаграммой возбуждения ENZ–моды в AZO–многослойной конфигурации Кречмана–Райтера, такой как конфигурация, показанная на фиг. 1A и 1B. Фиг. 7В является схематичной диаграммой излучательной моды Берремана в AZO–многослойной конфигурации, такой как конфигурация, показанная на фиг. 1A. Фиг. 7С является схематичной диаграммой конфигурации связанной ENZ–моды с материалом с высоким показателем преломления для падающего света без призмы, показанной на фиг. 1В.
[0080] Эксперимент проводили для исследования коэффициента поглощения и дисперсии многослойных широкополосных «идеальных поглотителей» с ENZ. Результаты экспериментально продемонстрировали широкополосный ENZ–поглотитель с поглощением >90% и подтвердили экспериментальную осуществимость конструкции широкополосного идеального поглотителя, описанной здесь. В этом эксперименте использовались Al–легированные ZnO (AZO) материалы, поскольку толщинами и концентрациями носителей заряда каждого AZO–слоя можно точно управлять. AZO–нанослои вырастили посредством атомно-слоевого осаждения (atomic layer deposition – ALD), что обеспечивает ультратонкие пленки с хорошей однородностью и гладкостью поверхности. Толщиной и концентрацией электронов AZO–пленок, осажденных посредством ALD, управляли посредством изменения числа циклов осаждения и соотношения осаждения диэтил–цинк–H2O и триметил–алюминий–H2O. Три AZO–нанослоя с соотношениями осаждения, составляющими 20:1, 30:1, и 35:1, образуют широкополосный поглотитель, показанный на фиг. 7A–7C. Комплексную диэлектрическую проницаемость AZO–пленок измеряли посредством эллипсометрии на контрольных образцах и показали на фиг. 8А, описанной ниже. Результаты показывают, что нулевая диэлектрическая проницаемость расположена на длинах волн, равных 1497, 1571, и 1700 нм для AZO3, AZO2, и AZO1, соответственно.
[0081] Фиг. 8А является полученным посредством эллипсометрии схематичным графиком зависимости от длины волны вещественной и мнимой частей диэлектрической проницаемости каждого единственного AZO–слоя, осажденного при 250°С и показанного на фиг. 7A–С. Фиг. 8В является схематичным графиком вычисленных коэффициентов отражения p–поляризованного (TM) света AZO–мультислоев с широкополосным ENZ–коэффициентом поглощения в конфигурации моды Берремана фиг. 7В. Фиг. 8С является схематичным графиком вычисленных коэффициентов отражения TM–света AZO–мультислоев с широкополосным ENZ–коэффициентом поглощения в конфигурации ENZ–моды фиг. 7С. Пунктирные линии показывают коэффициенты отражения каждого из отдельных AZO–нанослоев с толщинами, равными толщине слоев в разработанных многослойных пакетах. Коэффициенты отражения показаны для угла падения, составляющего 43°, который является большим критического угла полного внутреннего отражения, составляющего 41,8°. Для обеспечения широкополосного поглощения, параметрическую развертку использовали для оптимизации толщин трех AZO–слоев. При угле падения, составляющем 43°, оптимальные толщины (для нижнего, центрального и верхнего слоев) составляют 80, 60, и 50 нм для моды Берремана и 80, 60, и 30 нм для ENZ–моды. Как показано на фиг. 8B и 8C, минимум коэффициента отражения является следствием резонансного поглощения света ENZ–модами. Ширина спектра поглощения (>90%) при 43° составляет 214 нм для моды Берремана и 294 нм для ENZ–моды в ближней инфракрасной области спектра.
[0082] Фиг. 9А является схематичным графиком смоделированного соотношения коэффициентов отражения TM– и s–поляризованного (TE) света в конфигурации Кречмана–Райтера для широкополосного AZO–поглотителя с конфигурацией моды Берремана. Фиг. 9В является схематичным графиком экспериментально определенного соотношения коэффициентов отражения TM– и TE–света в конфигурации Кречмана–Райтера для широкополосного AZO–поглотителя с конфигурацией моды Берремана. Фиг. 9А является схематичным графиком смоделированного соотношения коэффициентов отражения TM– и TE–света в конфигурации Кречмана–Райтера для широкополосного AZO–поглотителя с конфигурацией ENZ–моды. Фиг. 9В является схематичным графиком экспериментально определенного соотношения коэффициентов отражения TM– и TE–света на фиг. 6В, которая является схематичным графиком измеренных и смоделированных дисперсионных характеристик моды Берремана в ITO–нанослое толщиной 15 нм.
[0083] Спектры отражения TE– и TM–света измеряли в конфигурации Кречмана–Райтера для диапазона углов падения, составлявшего 41°–52°. Соотношение коэффициентов отражения TM/TE–света вычисляли и сравнивали с соотношением смоделированных коэффициентов отражения. Моделирование учитывает реальные толщины и оптические свойства составляющих AZO–слоев многослойного пакета, измеренные посредством эллипсометрии на контрольных образцах. Сравнение показывает хорошее согласование измеренных и смоделированных результатов. Толщины AZO–слоев составляли 82 нм, 57 нм, и 57 нм для AZO1, AZO2, и AZO3, соответственно. Критический угол полного внутреннего отражения, составляющий 41,8°, виден на фиг. 9C и 9D. Эти фигуры показывают хорошее согласование между смоделированными и измеренными результатами.
[0084] Пример 5:
21
–3
2
2
2
3
2
[0085] Фиг. 10 является схематичным графиком плотности электронов на границе оксид–ITO четырех комбинаций смоделированного идеального МОП–поглотителя с полевым эффектом при приложенном смещении. В этом примере прикладываемое смещение составляет 5 В. Объемная плотность электронов в ITO составляет 1⋅10 см. МОП–структурами являются: сплошная линия – Ag–HfO–ITO, штриховая линия– Au–HfO–ITO, точечная линия – Au–AlO–ITO, и штрих–пунктирная линия – Cu–HfO–ITO. Работы выхода из металлов составляют: серебро – 4,26 эВ, золото – 5,1 эВ, и медь – 4,65 эВ. Диэлектрическая проницаемость диоксида гафния равна 25, и диэлектрическая проницаемость оксида алюминия равна 9.
[0086] Другие и дополнительные варианты осуществления, использующие один или несколько аспектов изобретения, описанных выше, могут быть придуманы, не выходя за рамки раскрытого изобретения, определенного в формуле изобретения. Например, различные ENZ–материалы, отличные от TCO–материалов, слои и другими ENZ–материалами, или ENZ–слои и другими легирующими металлами или полуметаллами для других ENZ–режимов диэлектрической проницаемости, уровни легирования, уровни прикладываемого электрического смещения, толщины, уровни легирования в виде процента между слоями, и другие варианты могут находиться в пределах объема формулы изобретения и других вариантов.
[0087] Настоящее изобретение было описано в контексте предпочтительных и других вариантов осуществления, и был описан не каждый вариант осуществления настоящего изобретения. Очевидные модификации и изменения описанных вариантов осуществления доступны пониманию специалистов в данной области техники. Предполагается, что раскрытые и нераскрытые варианты осуществления не ограничивают объем или применимость настоящего изобретения, предлагаемого Заявителем, а точнее, в соответствии с патентными законами, Заявитель намеревается полностью защитить все такие модификации и улучшения, которые могут находиться в пределах объема или диапазона эквивалентов нижеследующей формулы изобретения.