掺杂ZnO中近红外表面等离极化激元的传输与调控研究

The tradeoff between mode size and propagation loss of the surface plasmon polariton (SPP) has become one of the common problems and hot issues in the field of nano-optics research. Metal inherent optical characteristic is difficult to alter, which fundamentally constrained the propagation characteristics of SPP carrying on metal. The propagation of SPP in the semiconductor material is easier to control. The ultimate aim of this proposed project is to achieve a new near-infrared SPP material, whose optical characteristics can be designed, and a new method for flexible control of the propagation characteristics of SPP will be developed. The relationship between growth conditions and optical properties of ZnO films will be investigated. The propagation characteristics of the ZnO-based SPP will be investigated from the theoretical and experimental, using the finite difference time domain method, the near-field optical characterization methods, et al. It is expected that the successful implementation of the project will help to solve the above problems, and provide valuable research foundation for the future development of ZnO-based near-infrared SPP new devices.

表面等离极化激元（SPP）的模式束缚与传输损耗互为制约，这一矛盾已成为当前纳米光学研究的共性问题与热点难题之一。由于金属固有的光学特性很难调控，从而制约了人们对金属基SPP传输特性的调控能力。光学特性可调的半导体载体在SPP波导设计和模式控制上更有优势。本项目从ZnO导电膜近红外光学特性的调控出发，研究如何通过设计载体的光学参量对近红外SPP的传输特性和模式尺寸进行控制。项目拟通过不同浓度的Al/Ga、Al/Ga-H共掺杂、生长条件控制、后处理过程等综合手段对ZnO导电膜在近红外波段的光学特性进行调控，并利用时域有限差分算法、近场光学扫描等方法，从理论和实验上对近红外SPP在掺杂ZnO导电膜中的传输特性进行系统的深入研究。本项目调控SPP传输特性的新思路有助于在近红外波段解决上述共性难题，进一步拓展了ZnO材料的新应用领域，为发展ZnO基SPP新型传感器件提供有价值的研究基础。

表面等离极化激元(SPP)的模式束缚与传输损耗互为制约，这一矛盾已成为当前纳米光学研究的共性问题与热点难题之一。本项目期望通过调控ZnO导电膜的近红外光学特性，进而获得传输损耗和模式尺寸都较小的近红外SPP。我们分别制成重量比在1wt%-5wt%的 Al2O3/ZnO、Ga2O3/ZnO 陶瓷靶。 并利用这些靶材制备了不同特性的ZnO导电薄膜，分别研究了不同溅射条件对ZnO导电膜的光电学特性的影响规律。 对所制备的ZnO薄膜分别进行了光学和电学特性的表征分析。目前可以制备出方块电阻小于10欧姆，载流子浓度在1021cm-3量级的ZnO导电膜。根据ZnO薄膜的透射谱测量结果，利用非线性全局规划方法，获得ZnO导电膜在近红外波段的介电系数，这些介电系数可以利用两个谐振频率的Derude-Lorentz光学色散模型进行拟合。这个模型可以很好的描述ZnO导电膜在0.4微米到4.0微米范围的光学特性。 基于这个光学色散模型，我们利用时域有限差分算法（FDTD) 对近红外 SPP在掺杂ZnO导电膜中的传输特性进行系统研究。研究结果表明我们制备的ZnO导电膜可以支持1.5-4.0微米频段的SPP，而且在2.0微米处SPP的传输损耗较小。利用FDTD分析了ZnO-Dielectric-ZnO (ZDZ) 结构波导的SPP传输特性，这种类型波导的色散曲线主要决定于介质层的厚度和介电系数，通过改变介质层的厚度，可以较容易控制负群速色散曲线的频段，这个频段的SPP损耗较大，而且由于相位差异，表面激发的SPP很难传输进到这类波导，可以实现较好的滤波，甚至可以利用这个特性实现SPP隔离，在近红外SPP波导器件上有较大的应用潜力。从FDTD仿真的结果，我们还发现利用局域等离极化激元（LSP）和ZDZ波导模的耦合，可以控制负群速频段SPP的传输特性。ZnO晶体天然的六角结构可以形成回音壁模式的谐振，这种谐振模式类似于局域的等离激元，其和ZDZ波导的耦合与二者的间距不太敏感，但是回音模的谐振模式对其间耦合影响较大。六角结构ZDZ波导形成的模式也会出现回音模的特性，这些模式的耦合呈现出一些新的特性，这些结果可以用于实现SPP新型波导、传感器等器件应用。