【材料】基于局域等离子体氧化技术实现“物理纯平”的掺铝氧化锌的超表面结构- 大数跨境

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2020-06-12

导读：英国南安普顿大学的Otto L. Muskens团队通过局域等离子体氧化的全新技术实现对氧化锌（ZnO）以及掺铝氧化锌（Al:ZnO或AZO）的光性质以及电性质的区域调控。

注：文末有本文作者科研思路分析

金属氧化物由于其独特性质在集成电路、太阳能电池、化学传感与催化领域有着重要的作用。在例如红外热控涂层以及非线性光学等领域，需要实现高质量的导电金属氧化物超表面。传统超表面是通过离子刻蚀物理上去除部分材料以产生光学特性的差异，进而得到周期性的结构阵列。近日，来自英国南安普顿大学的Otto L. Muskens团队通过局域等离子体氧化的全新技术实现对氧化锌（ZnO）以及掺铝氧化锌（Al:ZnO或AZO）的光性质以及电性质的区域调控。基于该技术，该团队展示了全新的表面平整的光学超表面器件，即，实现物理平面化但是光学上具有超结构的全新超结构。

透明导电氧化物（Transparent Conductive Oxides, TCOs）例如掺铟氧化锡（Indium-doped Tin Oxide, ITO）和AZO是一种宽带隙掺杂半导体，载流子浓度大概范围为10¹⁹~10²¹cm^-3, 在可见波段性质具有很高的透射率，而在红外波段性质类似于金属。TCOs已经广泛应用于平板显示以及光伏发电等领域。在TCOs中，相对于ITO，AZO具有低成本以及无毒的优势，逐渐成为了在实际应用中最常见的材料。

该研究发现，氧等离子体可以大幅度降低氧化锌以及掺铝氧化锌中的载流子浓度，实现高达5个数量级的改变。结合光刻并引入保护结构，该团队提出了一种全新的基于氧等离子体的金属氧化物区域化技术，以实现在不改变材料表面平整度的情况下进行材料的光学特性区域控制。基于该技术，该团队制造了两种全新的光学超材料器件，应用于卫星辐射制冷功能的光学太阳能反射器（Optical Solar Reflector, OSR）以及具有不同工作频段的复合光学超结构器件。

该研究所提出的基于氧等离子体的金属氧化物载流子区域调控技术提供了一种全新的器件制造技术并可实现传统制造工艺不可实现的全新结构器件。同时，结合与其它报道的金属氧化物的特性，该技术可以用于其它的材料如氧化钛的调控。该技术已经于2019年申请专利。作者认为该技术在电子与光领域有着广泛的应用潜能。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Embedded Metal Oxide Plasmonics Using Local Plasma Oxidation of AZO for Planar Metasurfaces

Kai Sun, Wei Xiao, Sheng Ye, Nikolaos Kalfagiannis, Kian Shen Kiang, C. H.(Kees) de Groot, Otto L. Muskens

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202001534

过往相关文章：

VO₂ Thermochromic Metamaterial-Based Smart Optical Solar Reflector, ACS Photonics, 2018, 5, 2280.

Metasurface Optical Solar Reflectors Using AZO Transparent Conducting Oxides for Radiative Cooling of Spacecraft, ACS Photonics, 2018, 5, 495.

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：氧化锌（ZnO）以及掺铝氧化锌（Al:ZnO 或AZO）在电子、光学、生物、医学等各个领域具有广泛的应用。在光学和电子方面，其高载流子浓度决定了该材料的光学以及电学特性。然而，在目前的制造工艺中，ZnO以及AZO的载流子由其生长或者沉积条件直接决定。鉴于ZnO的载流子与其氧含量相关，本研究大胆的提出了运用氧等离子体实现对ZnO以及AZO的载流子浓度的调控从而改变其光学和电学性能。基于该想法，本研究进一步提出了区域可控的调控AZO特性从而实现物理纯平的光学超结构。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：本项研究中最大的挑战是氧等离子体是否能改变氧化锌以及掺铝氧化锌的载流子浓度。此前，有极少量研究进行过氧等离子体对氧化锌影响的研究，而这些研究仅仅报道了材料电学特性的细微改变，并未发现载流子调控。在本研究中，研究团队对氧等离子体的作用条件进行了大量的研究和优化，以寻找到了载流子浓度调控的实验证据。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：该研究所提出的氧等离子体的对金属氧化物区域调控技术可以实现类似于单晶硅的掺杂控制。该新技术可以在不改变材料物理结构的情况下实现氧化锌（以及掺铝氧化锌）光学以及电的特性调控。以此，我们可以制造新型光学器件。该技术也可以应用在其它材料，包括氧化钛（TiO₂）等金属氧化物以及二硫化钼（MoS₂）等二维材料。