上海光机所在厚度依赖损耗对ITO薄膜ENZ增强光学响应的影响研究方面取得进展

       近期，中国科学院上海光学精密机械研究所薄膜光学实验室研究团队在厚度依赖损耗对超薄ITO薄膜中ENZ（epsilon-near-zero）增强光学响应的影响方面取得新进展。相关成果以“Thickness-dependent loss-induced failure of ideal ENZ-enhanced optical response in planar ultrathin transparent conducting oxide films”为题发表在Optics Express 上。

　　ENZ材料独特的ENZ场增强效应被用于构建多种基于平面ENZ薄膜的线性和非线性ENZ光学器件。然而，实际ENZ材料的损耗使得平面ENZ薄膜难以获得显著的ENZ行为。为此，超薄ENZ薄膜和级联ENZ效应被理论提出可增强ENZ场增强效应，并获得大的ENZ增强光学响应。然而，这些理论方案忽略了ENZ材料的厚度依赖损耗问题。TCO是目前研究和应用最为广泛的ENZ材料。有关TCO薄膜的结构、光学和电学性能随厚度的演变规律的研究表明厚度可直接调控ENZ薄膜的光学特征，且厚度低于15nm的超薄ITO薄膜将转变为不连续的岛状，这对深入理解和制备高性能TCO薄膜至关重要。然而，TCO薄膜厚度依赖损耗对ENZ增强光学响应的影响还缺乏进一步研究，这是设计和制造基于TCO薄膜的高性能平面ENZ光子器件的另一关键问题。

　　本工作以ITO薄膜为代表研究了TCO材料的厚度依赖损耗问题，并进一步研究ITO的厚度依赖损耗对单层ITO和ITO/SiO2多层堆栈的ENZ增强光学响应的影响。实验和理论结果表明ITO薄膜厚度从235 nm减小到52 nm，对应ENZ点处的消光系数将从0.47增加到0.70，这导致52 nm单层ITO薄膜和4层ITO/SiO2多层堆栈结构的最大ENZ场增强因子分别降低60%和45%。这种厚度依赖损耗导致的场增强因子降低将使基于超薄单层和级联ENZ效应的ENZ增强光学响应失效，表现为52nm厚单层ITO薄膜的ENZ增强非线性吸收系数（-1.6×103 cm/GW）比235 nm 厚ITO薄膜(-8.6×103 cm/GW)低81%，而4层ITO/SiO2多层堆栈则降低42%。此外，厚度依赖损耗还会降低4层ITO/SiO2多层堆栈结构的Berreman透射谷强度并加速热电子弛豫。这些结果证实厚度和损耗的权衡是TCO薄膜的固有特征，低损耗超薄TCO薄膜是设计和制造基于平面超薄TCO薄膜的高性能ENZ器件的关键。

　　该项研究获得了国家重点研发计划，国家自然科学基金、中国博士后面上资助项目以及中国科学院国际合作局对外合作重点项目的支持。

图1 厚度依赖损耗对单层（a）和ITO/SiO2多层堆栈结构（b）中ENZ场增强的影响；厚度依赖（c）和层数依赖（d）的有效非线性吸收系数。