Новые методы применения наноструктурированных материалов в перспективных электронных устройствах

Наноструктурированные алюминиевые слои – это многообещающие альтернативы прозрачных полупроводников или металлов. Основными требованиями к прозрачным проводящим электродам (ТВК) являются хорошая прозрачность в ограниченном и четко определенном диапазоне, а также подходящая проводимость. Например, интервал длин волн составляет 300 нм-2500 нм для фотоэлектрических электродов и 400-700 нм для дисплеев. В настоящее время для достижения этой цели лучший материал оксид индия и олова (ITO). Он широко используется во многих видах дисплеев, светодиодов, солнечных элементов и других устройств оптоэлектроники. Средняя передача для ITO составляет приблизительно 80-90% в зависимости от изменения толщины. Для маленьких толщин у ITO лучше передача и сопротивление, и наоборот. Диапазон сопротивления листа ITO составляет 10-100 Ом/см [1].

Предполагая, что ITO является «идеальным», новые ТВК должны иметь такие же свойства или даже лучше. Тонкие прозрачные пленки на основе металлов привлекательны благодаря своим плазмонным свойствам и лучшей гибкости. Плоскостные металлические пленки имеют плохие оптические характеристики, однако специальная наноструктура может увеличить пропускание. Сшитый слой меди со средним коэффициентом пропускания 61 и 75% и сопротивлением листа 10 и 15 Ом/см для ширины линии решетки 120 и 200 нм был продемонстрирован соответствующим образом [2].

Другой формой наноструктурирования является структура нанодырок. Главная особенность этих структур – независимость от поляризации света при определенном расположении дырок. В [3–5] приведены данные о прохождении, отражении и поглощении в зависимости от разного размера отверстия, расстояния между отверстиями и толщины. В этой статье были предложены и реализованы два простых способа изготовления прозрачных проводящих металлических электродов и были найдены и систематизированы оптимальные оптические и электрические параметры.

Стеклянная подложка с 200 нм алюминием (Al) используется для первого способа изготовления ТВК [6]. Полный процесс проиллюстрирован на рисунке 1, где для простоты дырочный глинозем (Al₂O₃) не включен.

Рисунок 1. Первый способ изготовления ТВК: а) начало образования ТВК Al (время t₀); б) Конец образования Al ВТК (время t₁ или t₂)

Когда начинается электрохимическое анодирование Al, дырки растут в форме сферы. В момент времени t₀ (этап а) отверстия (сфера) контактируют с подложкой и формируется алюминиевый электрод. В этом положении прозрачность мала, и требуется дальнейшее анодирование (шаг b). В момент времени t₁> t₀ передача увеличивается, а в момент времени t₂> t₁ имеет самые большие значения. Проводимость имеет противоположное поведение и имеет наименьшее значение в момент времени t₂. Таким образом, компромисс между прозрачностью и проводимостью необходим

Чтобы найти оптимальные параметры, пакеты FDTD Lumeric [7] и COMSOL Multiphysics [8] используются для моделирования оптических и электрических свойств соответственно.

Было получено сопротивление листа 10-20 Ом/см для дырочных (сферических) радиосигналов r = 60-70 нм и расстояния между отверстиями w = 100 нм.

Рисунок 2. Второй способ изготовления ТВК: а) осаждение алюминия, анодирование и расширение отверстий; б) осаждение металла; в) передача металла ТВК

Второй предложенный способ образования ТВК включает три этапа, как показано на рисунке 2. Этап а – осаждение алюминия с последующим анодированием и расширением отверстий в растворе, содержащем фосфорную кислоту. Затем металл (в нашем случае золото Au) осаждается электронным испарением (этап b). Заключительным этапом с является перенос полученного ТВК на клейкую подложку.

Оптические свойства Au TCE при различных размерах отверстий r = 100, 150, 200 нм, расстояниях между отверстиями w = 2r + 25, 50, 75 нм и толщине d = 25, 50 нм моделируются с помощью коммерческого программного обеспечения FDTD Lumeric [7]. Больший размер отверстий обеспечивает лучшую среднюю передачу, когда большее расстояние между отверстиями и толщина имеют противоположную зависимость. Au-электрод поглощает только часть света в диапазоне 300-600 нм из-за локализованного плазмонного резонанса. При λ> 700 нм отражение увеличивается.

Структура с r = 100 нм, w = 25 нм и d = 25 нм имеет лучшую среднюю пропускную способность в диапазоне 300-1000 нм (рис. 4) и составляет 82,5%. Значения 10-20 Ом/см были получены для толщины ТВК 25-50 нм четырехзондовым методом.