ITO薄膜表面等离子体共振波长的可控调节 
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1 引言
表面等离子体共振(SPR)是一种近场光学技术,目前已被广泛应用于超分辨率成像、探测器、传感器等领域[1-4],它具有局域场增强效应,对周围介质折射率的变化较为敏感,可突破电磁波的亚波长尺度限制[5-9],因此关于具有SPR效应的材料的研究成为当前热点之一。目前,对SPR效应的研究主要集中在Au[10]、Ag[11]等贵金属材料上,然而这些材料的SPR激发主要集中在紫外到可见光波段[12-14],存在工作波长范围偏窄的问题,因此寻找一种新材料或新方法来拓宽SPR波长范围,使其在近红外波段可实现光电器件的SPR效应,成为目前光电器件研究领域亟需解决的问题之一。
ITO(SnO2∶In2O3)薄膜是一种具有高载流子浓度(1021 cm-3)、高可见光透过率(90%)、低电阻率(10-5 Ω·cm)的透明导电氧化物材料[15-18],其已成为近红外范围内用于调节SPR效应的一种理想材料[18-19]。近红外不同波段的SPR效应对不同波段的探测器、传感器等具有重要的实用意义,因此对近红外区域内SPR波长的有效调控具有重要的意义。载流子浓度是影响SPR波长的重要因素之一[20],对材料载流子浓度的调节是实现SPR波长有效调控的重要方法之一。Kamakura等[20]采用改变SnO2掺杂浓度(质量分数从10%到20%)的方式增强其结晶程度,调节了ITO薄膜的载流子浓度,使其由9.8×1020 cm-3变化到1.23×1021 cm-3,实现了SPR波长在近红外区域由1300 nm到1140 nm的蓝移。Fang等[21]通过改变沉积温度(从100 ℃到400 ℃)等方式改善了ITO薄膜的结晶性质,调节了ITO薄膜的载流子浓度(由7.5×1020 cm-3增大至1.34×1021 cm-3),实现了对SPR波长的有效调控(由1780 nm蓝移到1270 nm)。Tuo等[22]通过改变退火温度及退火气体等方式提高Sn氧化物的解离程度,调节了ITO纳米颗粒的载流子浓度,实现了SPR波长由1430 nm至1200 nm的有效调节。以上研究表明,虽然通过改变组分、温度等薄膜制备条件可以调节ITO薄膜的载流子浓度,实现对近红外波段SPR波长的调节,但是对SPR波长的调节范围相对较窄,不利于其宽范围的应用。因此,本文采用磁控溅射的方式,调整沉积时间以改变ITO薄膜的厚度(16~271 nm),调节载流子浓度(从4.79×1020 cm-3增大到2.41×1021 cm-3)以实现较宽范围的SPR波长有效调控。采用Drude自由电子气模型[19]对不同厚度ITO薄膜的介电常数进行了理论计算,进一步验证了薄膜SPR波长的调控取决于膜厚对载流子浓度的调节作用。
2 实验
2.1 制备不同厚度的ITO薄膜
选用普通浮法玻璃(20 mm×20 mm)作为基底,ITO陶瓷靶(SnO2质量分数为10%,In2O3质量分数为90%;尺寸为60 mm×5 mm)作为靶源。实验溅射参数为:真空度5×10-4 Pa,Ar气(纯度为99.99%)流量30 L/min,温度350 ℃,功率60 W,溅射速率0.01~0.04 nm/s。
采用直流磁控溅射方法制备不同厚度的ITO薄膜。将玻璃基底用丙酮、乙醇、去离子水依次超声清洗10 min,以去除玻璃表面有机物杂质,之后烘干备用。溅射时间为15,35,55,75,95,115 min,分别沉积制备了16,63,118,170,208,271 nm厚度的ITO薄膜。
2.2 实验仪器
采用美国科特莱思公司生产的LESKER Lab18型多功能磁控溅射系统制备ITO薄膜;采用椭偏仪测量薄膜厚度及介电常数;采用德国AXS D8型X射线衍射仪(Cu靶,辐射波长为0.15418 nm)测量薄膜的晶型结构;采用霍尔测试设备对薄膜的载流子浓度和电阻率等电学性能进行测试。
3 结果与分析
薄膜厚度对载流子浓度有着重要的影响[23],而载流子浓度的变化可实现SPR波长的有效调节[20],为了验证改变膜厚可实现SPR波长的可控调节,采用椭圆偏振光谱仪测试了不同膜厚ITO的介电常数,以反映不同厚度ITO薄膜的SPR波长变化情况及损耗程度。如
图 1. 不同膜厚ITO的介电常数。(a)实部;(b)虚部
Fig. 1. Dielectric permittivity of ITO films with different thicknesses. (a) Real part; (b) imaginary part
为了研究厚度对ITO薄膜晶格结构的影响,进行了X射线衍射(XRD)测试。如
SPR波长主要由材料的载流子浓度所决定[20],因此进行了霍尔效应测试以获得不同厚度ITO薄膜的载流子浓度
图 3. ITO薄膜的载流子浓度和电阻率随膜厚变化曲线
Fig. 3. Carrier concentration and resistivity of ITO films versus film thickness
为了进一步验证通过改变膜厚可实现对SPR波长的可控调节,采用Drude自由电子气模型,基于霍尔效应测试获得的
利用Drude自由电子气模型计算SPR波长的过程如下。
将
式中
式中
理论计算波长值
图 4. 不同膜厚ITO下的ε'1、ε″1以及载流子浓度
Fig. 4. ε'1, ε″1 and carrier concentration of ITO films with different thicknesses
4 结论
采用直流磁控溅射的方式,通过控制沉积时间,制备了厚度分别为16,63,118,170,208,271nm的ITO薄膜,并对其晶体结构和电学性质进行了研究。随着膜厚的逐渐增加,薄膜的结晶程度有所增强,载流子浓度从4.79×1020 cm-3增大到2.41×1021 cm-3,实现了ITO薄膜近红外区域SPR波长从1802 nm蓝移至1204 nm的较宽范围的有效调控。采用Drude自由电子气模型,对ITO薄膜进行了介电常数实部交叉波长的理论计算,并将其与实验获得的介电常数实部交叉波长进行了对比,结果数值相近,表明改变薄膜的厚度是对载流子浓度进行调节的有效方法,进而在近红外范围内可实现对ITO薄膜SPR波长的有效调控。
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