Metal-insulator multistacks for absorption and photodetection

Metal yalıtkan (MI) istifleri, son on yılın en çok çalışılan nanometre cihazlarından biridir. Bu yapılar, güneş pillerinden dalga kılavuzlarına ve polarize edicilere kadar değişen bir çok fotonik uygulamalara yeni bir yol açmıştır. Metal yalıtkan yığınlarının temel özelliği, günümüzde fotonik ve elektronik teknolojideki ana eğilim olan cihaz boyutlarını küçültmektir. Geleneksel fotonik yapılar, yeni fotonik aygıtların, metamalzeme olarak da bilinen özel olarak tasarlanmış metal yalıtkan hücrelerin özelleştirilmesiyle birçok yapay özellik gösterebileceği çok yüksek kalınlıklara ihtiyaç duyar. Bu tezde, özellikle ışık algolamak için ışığı oldukça sınırlayan bir özellikteki metal izolatör emici yığınlarını inceleyeceğiz. Elektromanyetik spektrumun yakın kızıl ötesi kısmı, geleneksel dar bant aralıklı PN fotodiyotlarının oda sıcaklığında çalışamaması nedeniyle foto akım oluşumunda sorunludur. Bu çıkmaza birde büyük boyutları eklenmektedir. Bu tezlerden bazılarında bu sorunlar ele alınmıştır. Önce plazmonik bir MIM yapısı, üst katmanda "dewetting" ile elde edilen rastgele nanopartiküller ile gözlemlenir ve bu da, plasmonik MIM boşluğundaki olay ışığını sınırlar ve alttaki kayıplı metalde yüzey plasmon uyarımıyla yüksek absorpsiyona neden olur. Işık algılama için kritik olan alt metal emilimine odaklanarak en iyi emiciler elde etmek amacıyla çeşitli malzemeler araştırılmaktadır. Simülasyonlarımız ve deney sonuçları, görünür ve yakın kızılötesi bölgelerin çoğunda emiliminin yüzde 90'ın üzerinde olduğunu göstermektedir. Krom-alüminyum oksit-gümüş nanoparçacıklardan (altdan üste) oluşan bir yapıdaki alttaki metalin emilmesi 850 nm'de yüzde 82'ye ulaşır. Uygun NIR absorpsiyonu elde ettikten sonra, bir MIMIM foto-detektörü tasarlanır ve bir başka izolatör-metal tabakasının önceki absorbe edicinin tabanına eklendiği yerde imal edilir. Eskiden bildirilen plasmonik fotodetektörler, aynı MIM yapısında emilim ve fotoakım cihaz tasarımına kısıtlamalar getirmiştir. Bununla birlikte, önerilen yapımızda tünelleme MIM foto akım kullanılır, bu sadece üst metalini üst emici MIM ile paylaşır. Bu yapının en büyük avantajı, fotodetektörün emme ve foto-akım bölümlerini ayırması, böylece her bir MIM'in ayrı ayrı optimizasyonunu mümkün kılmaktadır. Gümüş-hafniyum oksit-krom-alüminyum oksit-gümüş nanopartiküller (üstten alta) olan en iyi yapı, 1000 nm'de 0.962 mA / W'lik bir zirve foto responsivitesini (yüzey plazmonlarının radyasyona bağlı bozulmasından) ve karanlık akımı 50 mV öngeriliminde 7 nA'dır. Sonuçlarımız, daha önce bildirilen MIMIM fotodetektörlerine kıyasla fotoresponsivitede yaklaşık iki kat büyüklüktedir. Görünür ve yakın kızılötesi bölgeler için mükemmel emiciler elde etmek için yapılan başka bir girişimde, bir MIMI emiciyi ortaya koyulmuştur. Bu çalışmada, metal tabakaların katkısı ayrıntılı olarak incelenmiş ve malzeme seçimi tartışılmıştır. Optimizasyon prosesi, mükemmel emiciler tasarlamak için çok yönlü bir yöntem önermektedir. Kalınlıkları optimize etmek için transfer matrisi yöntemi ve FDTD simülasyonları kullanılmıştır. Ayrıca, malzeme seçimine ışık tutmak için, ideal metal permitivite değerlerinin çıkarılması ve mevcut metallere kıyasla boş alana empedans eşleştirilmesi önerilmektedir. Tungsten-aluminyum oksit-titanyum-alüminyum oksit (tepeden aşağıya doğru) yapısına ait deney sonuçlarımız, benzer MIMI yapılarında en iyi mükemmel absorpsiyon bant genişliği olan 400 nm ila 1642 nm arasındaki dalga boyu aralığında yüzde 90'ın üzerinde absorpsiyonu göstermektedir.