Плазмонное поглощение инфракрасного излучения в периодических структурах Si/Si3N4/SiO2/Si/Al с окошечным поверхностным слоем

  • Асия Имрановна Мухаммад Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Олег Юрьевич Наливайко «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121а, 220108, г. Минск, Беларусь
  • Владимир Владимирович Колос «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121а, 220108, г. Минск, Беларусь
  • Петр Иванович Гайдук «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121а, 220108, г. Минск, Беларусь

Аннотация

Методом инфракрасной фурье-спектрометрии получены спектры пропускания и отражения периодических структур Si/Si3N4/SiO2/Si и Si/Si3N4/SiO2/Si/Al с окошечным поверхностным слоем до и после проведения термического отжига. Экспериментальные спектры пропускания и поглощения исследованы в сравнении с теоретическими спектрами, рассчитанными с помощью метода конечных разностей во временной области. Отмечена хорошая корреляция теоретических и экспериментальных спектров пропускания. Обнаружено, что после проведения термического отжига коэффициент пропускания структур снижается на 5–20 %. Продемонстрировано, что осаждение на обратную сторону структуры пленки алюминия толщиной 90 нм не влияет на коэффициент пропускания неотожженной структуры, но более чем на 20 % уменьшает коэффициент пропускания отожженной структуры. Показано, что интенсивность поглощения структуры n+-Si/poly-Si/Si3N4/SiO2/Si /Al не опускается ниже 70 % в диапазоне длин волн 2,5–9,0 мкм, при этом интенсивность пика поглощения на длине волны 4,3 мкм составляет 87 %. Установлено, что появление в спектрах поглощения отожженной структуры пиков поглощения на длинах волн 4,3 и 8,0 мкм может быть связано с возникновением плазмонных эффектов из-за периодичности структуры.

Биографии авторов

Асия Имрановна Мухаммад, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

аспирантка кафедры физической электроники и нанотехнологий факультета радиофизики и компьютерных технологий. Научный руководитель – П. И. Гайдук

Олег Юрьевич Наливайко, «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121а, 220108, г. Минск, Беларусь

кандидат технических наук; заместитель главного технолога

Владимир Владимирович Колос, «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121а, 220108, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; заместитель заведующего отраслевой лабораторией новых технологий и материалов

Петр Иванович Гайдук, «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121а, 220108, г. Минск, Беларусь

доктор физико-математических наук, доцент; профессор кафедры физической электроники и нанотехнологий факультета радиофизики и компьютерных технологий

Литература

  1. Chen Cheng, Liu Yanhua, Jiang Zhou-ying, Shen Chong, Zhang Ye, Zhong Fan, et al. Large-area long-wave infrared broadband all-dielectric metasurface absorber based on maskless laser direct writing lithography. Optics Express. 2022;30(8):13391–13403. DOI: 10.1364/OE.447783.
  2. Wang Ben-Xin, Xu Chongyang, Duan Guiyuan, Xu Wei, Pi Fuwei. Review of broadband metamaterial absorbers: from principles, design strategies, and tunable properties to functional applications. Advanced Functional Materials. 2023;33(14):2213818. DOI: 10.1002/adfm.202213818.
  3. Ogawa S, Kimata M. Metal-insulator-metal-based plasmonic metamaterial absorbers at visible and infrared wavelengths: a review. Materials. 2018;11(3):458. DOI: 10.3390/ma11030458.
  4. Zhou Y, Qin Z, Liang Z, Meng D, Xu H, Smith DR, et al. Ultra-broadband metamaterial absorbers from long to very long infrared regime. Light: Science and Applications. 2021;10:138. DOI: 10.1038/s41377-021-00577-8.
  5. Yu P, Besteiro LV, Huang Y, Wu J, Fu L, Tan HH, et al. Broadband metamaterial absorbers. Advanced Optical Materials. 2019;7(3):1800995. DOI: 10.1002/adom.201800995.
  6. Desouky M, Mahmoud AM, Swillam MA. Silicon based mid-IR super absorber using hyperbolic metamaterial. Scientific Reports. 2018;8:2036. DOI: 10.1038/s41598-017-18737-5.
  7. Taliercio T, Biagioni P. Semiconductor infrared plasmonics. Nanophotonics. 2019;8(6):949–990. DOI: 10.1515/nanoph-2019- 0077.
  8. Mukhammad AI, Gaiduk PI. Influence of the thickness of the n-Si substrate and its doping level on the absorbing properties of silicon plasmon structures in the infrared range. Zhurnal prikladnoii spektroskopii. 2021;88(6):887–894. Russian. DOI: 10.47612/0514-7506-2021-88-6-887-894.
  9. Mukhammad AI, Chizh KV, Plotnichenko VG, Yuryev VA, Gaiduk PI. Plasmonic-enhanced light absorption in periodic silicon structures: the effect of inter-island distance. Semiconductors. 2020;54(14):1889–1892. DOI: 10.1134/S1063782620140201.
  10. Koshelev IR, Mukhammad AI, Gaiduk PI. Modeling of plasmon resonance in periodic multilayer structures based on chromium with a surface island layer. Journal of the Belarusian State University. Physics. 2021;1:26–32. Russian. DOI: 10.33581/2520-2243-2021-1-26-32.
  11. Palik ED, editor. Handbook of optical constants of solids. Volume 2. Boston: Academic Press; 1991. XX, 1096 p. (Academic Press handbook series).
  12. Kischkat J, Peters S, Gruska B, Semtsiv M, Chashnikova M, Klinkmüller M, et al. Mid-infrared optical properties of thin films of aluminum oxide, titanium dioxide, silicon dioxide, aluminum nitride, and silicon nitride. Applied Optics. 2012;51(28):6789–6798. DOI: 10.1364/AO.51.006789.
  13. Mayer JW, Eriksson L, Davies JA. Ion implantation in semiconductors: silicon and germanium. New York: Academic Press; 1970. XIII, 280 p. Russian edition: Mayer J, Eriksson L, Davies J. Ionnoe legirovanie poluprovodnikov (kremnii i germanii). Gusev VM, editor. Moscow: Mir; 1973. 296 p.
  14. Kitamura R, Pilon L, Jonasz M. Optical constants of silica glass from extreme ultraviolet to far infrared at near room temperature. Applied Optics. 2007;46(33):8118–8133. DOI: 10.1364/AO.46.008118.
  15. Busca G, Lorenzelli V, Porcile G, Baraton MI, Quintard P, Marchand R. FT-IR study of the surface properties of silicon nitride. Materials Chemistry and Physics. 1986;14(2):123–140. DOI: 10.1016/0254-0584(86)90077-5.
  16. Maier SA. Plasmonics: fundamentals and applications. New York: Springer Science + Business Media; 2007. XXV, 223 p. Russian edition: Maier SA. Plazmonika: teoriya i prilozheniya. Nechaeva TS, Kolesnichenko YuV, translators; Savinskii SS, editor. Moscow: R & C Dynamics; 2011. 296 p.
  17. Gorgulu K, Gok A, Yilmaz M, Topalli K, Biyikli N, Okyay AK. All-silicon ultra-broadband infrared light absorbers. Scientific Reports. 2016;6:38589. DOI: 10.1038/srep38589.
Опубликован
2024-01-22
Ключевые слова: плазмонное поглощение, периодические структуры, спектры поглощения, фурье-спектро- скопия, легированный кремний
Поддерживающие организации Работа выполнена при финансовой поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (грант № Т22-030).
Как цитировать
Мухаммад, А. И., Наливайко, О. Ю., Колос, В. В., & Гайдук, П. И. (2024). Плазмонное поглощение инфракрасного излучения в периодических структурах Si/Si3N4/SiO2/Si/Al с окошечным поверхностным слоем. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 1, 49-56. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/physics/article/view/5826
Выпуск
№ 1 (2024): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Физика конденсированного состояния

Copyright (c) 2024 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).