场效应可调谐介电常数近零吸收体制造技术

本公开提供了一种用于可调谐ENZ材料的系统和方法，该系统和方法可改变辐射能的吸收。可调谐ENZ材料可用作宽带吸收体，其有利地使用超薄导电层的堆叠，所述导电层在不同波长下具有介电常数近零(ENZ)态的介电常数。导电材料可包括多个至少部分透明的导电氧化物或过渡金属氮化物层，所述多个层具有不同的电子浓度且因此具有不同的ENZ频率，用于宽带范围的能量吸收。可以将层直接调谐到各种频率，以在深亚波长ENZ厚度处实现高吸收水平。施加的电偏压可以在ENZ半导体器件中产生电子积累/耗尽区，并允许控制等离子体频率，从而控制器件中的高吸收水平。此外，对于层的堆叠，载流子浓度可以在层与层之间改变。

Field effect tunable dielectric constant near zero absorber

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】场效应可调谐介电常数近零吸收体相关申请的交叉引用不适用。联邦资助的研究或开发不适用。参考附录不适用。专利技术背景
本公开总体上涉及诸如用于辐射能的能量吸收的介电常数近零材料(epsilon-near-zero，“ENZ”)。更具体地，本公开涉及ENZ材料的纳米厚度层，其包括在给定波长下具有介电常数近零(ENZ)态的介电常数的导电材料，以实现高效的能量吸收。
技术介绍
光收集和高分辨率光学技术需要具有强光吸收的光学涂层。高水平(“完美”)吸收通常需要高的光学损耗、大的厚度或使用构建的纳米材料和超材料。大多数光学介电材料(诸如玻璃)在可见光和红外区域是透明的。相反，由于高的光学损耗，金属会反射光。由于这两种材料都不能提供令人满意的解决方案，因此人们非常关注开发新的光学材料，其中可以通过改变材料性质来设计吸收。由于超材料的精确形状、几何构型、尺寸、方向和排列方式产生了某些人认为常规材料无法实现的材料性质，因此在超材料方面的相对新的工作被视为光收集和吸收的一种选择。工程师可以根据材料的应用以不同的方式通过排列晶胞来操纵光波的传播。但是，该技术复杂且昂贵。最近的研究表明，介电常数近零(ENZ)的材料可用于制造高性能超薄膜吸收体。超薄ENZ层支持辐射Berreman模式(光线上方)和束缚ENZ模式(光线下方)。这些模式的激发导致共振光吸收。通常认为ENZ材料包括金属或半金属重掺杂的半导体。ENZ材料的实例包括至少部分透明的导电氧化物(TCO)(诸如氧化铟锡(ITO)和氧化铝锌(AZO))以及过渡金属氮化物等。从金属的几乎没有到没有介电常数(ENZ态)的区域的介电常数到介电材料的介电常数，ENZ材料中介电常数会随不同的频率变化。ENZ材料中电磁波的极低群速度抑制从激发体积中去除能量，并导致场增加和高损耗函数。如果用Drude模型描述介电常数ε＝ε∞-ωp2/(ω2+iγω)，其中ωp是等离子体频率，γ是电子碰撞速率，则对于γ→0，ENZ(Re(ε)＝0)频率是ωENZ≈ωp，和损耗函数L(ωENZ)≈ωp/γ→∞。ENZ材料具有固有的光学损耗γ<<ωp和等离子频率，其可以通过控制沉积条件和通常从1019至1021cm-3的高载流子浓度来进行工程设计。例如，TCO材料可以尤其在1.3至1.5μm的电信波长下表现出ENZ态。因此，仍然需要一种使用ENZ材料的改进的系统和方法，该系统和方法可以为可见光、近红外区和UV区的能量提供高水平的宽带吸收率。
技术实现思路
本公开提供了一种用于可调谐ENZ材料的系统和方法，该系统和方法可改变辐射能的吸收。可调谐ENZ材料可以用作宽带吸收体(broadbandabsorber)，其有利地使用超薄导电层堆叠，所述超薄导电层在不同波长下具有介电常数近零(ENZ)态的介电常数。导电材料可包括至少部分透明的导电氧化物或过渡金属氮化物层，其具有不同的电子浓度并因此具有不同的ENZ频率，用于宽带范围的能量吸收。可以将层直接调谐到各种频率，以在深亚波长ENZ厚度处实现高吸收水平。施加的电偏压会在ENZ半导体器件中产生电子积累/耗尽区，并允许控制等离子体频率且因此控制器件中的高吸收水平。此外，对于层堆叠，载流子浓度可以在层与层之间改变。高效吸收体可以用作光收集技术、太阳能收集器、蒸汽发生器和锅炉、水蒸馏、热发射器、强辐射探测器、包括非常低反射率的涂层以减少杂散反射的光学涂层、激光、高分辨率的光学仪器、照相机、CMOS传感器和其他传感器、偏光器、作为超薄的非线性光学介质、磁光器件和其他应用。高效吸收体还可以提高高分辨率相机的质量并冷却敏感的电子设备。非线性ENZ介质还可以推进可重构和可调谐非线性设备的设计，用于超快纳米级通信、成像和显示技术。本公开内容提供了一种电子器件，其包括：至少一层导电材料，其在给定波长下具有介电常数近零(ENZ)态的介电常数，并且被构造为可调谐以随着施加的电偏压而改变介电常数。本公开提供了一种电子器件，其包括：多个导电层的堆叠，所述多个导电层在给定波长下具有介电常数近零(ENZ)态的介电常数，其中至少两个层具有不同的ENZ态并被构造为吸收不同频率的光。本公开提供一种使用电子器件的方法，该电子器件具有至少一层导电材料，所述导电材料在给定波长下具有介电常数近零(ENZ)态的介电常数，该方法包括：向该器件施加电偏压；并调谐器件以吸收各种频率的光。附图说明专利或申请文件包含至少一个彩色附图。专利局将依要求并缴纳必要的费用后提供带有彩色附图的本专利或专利申请公开的副本。图1A是多层堆叠的实例的示意图，该多层堆叠在堆叠中远离初始入射光侧具有金属反射体。图1B是多层堆叠的另一实例的示意图，该多层堆叠在初始入射光下具有高折射率材料。图1C是单层的另一实例的示意图，该单层在初始入射光下具有高折射率材料。图2A是图1A中所示的ENZ多层堆叠实例的吸收率的示意图，这是由于与固定激发波长下的可变入射角相比，可变厚度的辐射Berreman模式的p偏振激发所致。图2B是图1B中所示的ENZ多层堆叠实例的吸收率的示意图，这是由于与固定激发波长下的可变入射角相比，可变厚度的束缚ENZ模式的p偏振激发所致。图2C是图1A中所示的ENZ多层堆叠实例的吸收率的另一示意图，这是由于与可变入射角相比，可变波长的辐射Berreman模式的p偏振激发所致。图2D是图1B中所示的ENZ多层堆叠实例的吸收率的另一示意图，这是由于与可变入射角相比，可变波长的束缚ENZ模式的p偏振激发所致。图2E是在固定入射角下的可变波长在图1A中所示的ENZ多层堆叠实例上的电场强度的示意图。图2F是在固定入射角下的可变波长在图1B中所示的ENZ多层堆叠实例上的电场强度的示意图。图2G是图1A中所示的ENZ多层堆叠的吸收率的示意图，这是由于与固定入射角下的可变激发波长相比，可变厚度的辐射Berreman模式的p偏振激发所致。图2H是图1B中所示的ENZ多层堆叠实例的吸收率的示意图，这是由于与固定入射角下的可变激发波长相比，可变厚度的束缚ENZ模式的p偏振激发所致。图3A是吸收率光谱的示意图，其比较了辐射Berreman模式和束缚ENZ模式。图3B是吸收率的示意图，其比较了具有变化的电子密度的三个纳米层的实例的入射光能量。图3C是吸收率的示意图，其比较了图3B的具有变化的电子密度的三个纳米层的实例的入射光波长。图4A是具有场效应可调谐的ENZ层的金属氧化物半导体(MOS)结构实例的示意图。图4B是在图4A中所示的ENZ层上不同施加电压的载流子浓度N的空间分布实例的示意图。图5是与图4A中所示器件相似的ENZ层在固定入射角下不同施加电压的吸收率实例的示意图。图6A是在图1B的结构中的单层的测量的吸收率与波长的关系的示意图，所述单层在初始入射光下具有高折射率材料。图6B是在15nm薄ITO本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电子器件，包括：/n至少一层导电材料，所述材料在给定的波长下具有介电常数近零(ENZ)态的介电常数，并且被构造为可调谐以随施加的电偏压改变介电常数。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170511 US 62/504,9851.一种电子器件，包括：
至少一层导电材料，所述材料在给定的波长下具有介电常数近零(ENZ)态的介电常数，并且被构造为可调谐以随施加的电偏压改变介电常数。


2.根据权利要求1所述的器件，其中导电材料包括至少一种掺杂有金属或半金属的部分透明的半导体材料，以在所述材料中形成用于介电常数近零(ENZ)态的介电常数的载流子浓度。


3.根据权利要求1所述的器件，其中所述半导体材料包括至少一层透明导电氧化物(“TCO”)材料。


4.根据权利要求1所述的器件，其中所述器件包括至少两个具有不同载流子浓度的层。


5.根据权利要求1所述的器件，其中所述器件包括至少两个具有不同ENZ态的层。


6.根据权利要求1所述的器件，其中至少一层的厚度为入射光的亚波长。


7.根据权利要求1所述的器件，进一步包含与所述至少一层耦合的氧化物层，以及远离所述至少一层与所述氧化物层耦合的金属层，以形成金属氧化物半导体(MOS)构造。


8.根据权利要求7所述的器件，其中通过将电偏压施加到所述MOS构造，所述MOS构造可被调谐以吸收一定频率的光。


9.根据权利要求1所述的器件，其中所述器件还包括与所述至少一层耦合的金属反射体。


10.根据权利要求1所述的器件，其中所述器件进一步包含高折射率材料，所述高折射率材料经构造以在所述至少一层之前接收光。


11.一种电子器件，包括：
多个导电层的堆叠，所述导电层在给定波长下具有介电常数近零(ENZ)态的介电常数，其中至少...

【专利技术属性】
技术研发人员：O阿诺普钱科，HWH李，
申请(专利权)人：贝勒大学，
类型：发明
国别省市：美国;US