Влияние обработки поверхностными электромагнитными волнами на рефрактивные свойства тонких пленок на основе оксидов индия и олова с лазерно-осажденными одностенными углеродными нанотрубками

Цели. Цель работы – исследование влияния обработки поверхностными электромагнитными волнами (ПЭВ) тонких проводящих пленок на основе оксидов индия и олова (indium tin oxides, ITO) с лазерно-осажденными одностенными углеродными нанотрубками (УНТ) на рефрактивные свойства, оценка эффективной толщины слоя лазерно-осажденных УНТ до и после ПЭВ-обработки.

Методы. Для формирования структур использовался метод лазерно-ориентированного осаждения с применением CO₂-лазера (λ = 10.6 мкм). Диагностика модификаций тонких пленок ITO осуществлялась при помощи эллипсометра в спектральном диапазоне 300–1000 нм. Для описания оптических свойств подложек крон К8 и тонких пленок ITO использовалась модель Коши. Для интерпретации результатов эллипсометрии модификаций ITO с УНТ была введена модель виртуального слоя с эффективной толщиной. При постобработке поверхности использовался CO₂-маркер (λ = 10.6 мкм) для генерации ПЭВ. Оценка влияния ПЭВ-обработки на толщину виртуального слоя проводилась при помощи эллипсометрии и атомно-силовой микроскопии в контактном режиме.

Результаты. На основе данных эллипсометрии установлено, что эффективная толщина слоя УНТ находилась в диапазоне 24–26 нм. После ПЭВ-обработки толщина эффективного слоя УНТ снизилась до 4–8 нм. При осаждении УНТ на поверхность ITO и последующей ПЭВ-обработке поверхности снижаются потери на отражение для p-поляризованного излучения. В спектральном диапазоне 400–750 нм при угле падения относительно нормали к плоскости структур 65° наблюдается снижение отражения с 18.5% до 13.5% относительно ITO без УНТ и ПЭВ-обработки, при 71° – снижение с 6.4% до 4.7%, при 77° – снижение с 1.8% до 1.2%.

Выводы. Для тонких пленок на основе ITO с лазерно-осажденными УНТ доступен метод ПЭВ-обработки, которая позволяет сохранить просветляющие свойства УНТ и обеспечивает прецизионное снижение толщины композитной структуры. Указанные возможности позволяют использовать исследуемые модификации ITO в задачах оптической электроники, микрофлюидики и биомедицины.

1. Kim H., Gilmore C.M., Piquie A., Horwitz J.S., Mattoussi H., Murata H., Kafafi Z.H., Chrisey D.B. Electrical, optical, and structural properties of indium–tin–oxide thin films for organic light-emitting devices. J. Appl. Phys. 1999;86(11): 6451–6461. https://doi.org/10.1063/1.371708

2. Adurodija F.O., Izumi H., Ishihara T., Yoshioka H., Motoyama M., Murai K. Influence of substrate temperature on the properties of indium oxide thin films. J. Vac. Sci. Technol. A. 2000;18:814–818. https://doi.org/10.1116/1.582260

3. Zhang K., Zhu F., Huan C.H.A., Wee T.S. Effect of hydrogen partial pressure on optoelectronic properties of indium tin oxide thin films deposited by radio frequency magnetron sputtering method. J. Appl. Phys. 1999:86(2):974–980. https://doi.org/10.1063/1.370834

4. Kerkache L., Layadi A., Mosser A. Effect of oxygen partial pressure on the structural and optical properties of dc sputtered ITO thin films. J. Alloys Compd. 2019;18(1):46–50. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.06.103

5. Kim J.-H., Lee J.-H., Heo Y.-W., Kim J.-J., Park J.-O. Effects of oxygen partial pressure on the preferential orientation and surface morphology of ITO films grown by RF magnetron sputtering. J. Electroceram. 2009;23:169–174. https://doi.org/10.1007/s10832-007-9351-8

6. Yang S., Sun B., Liu Y., Zhu J., Song J., Hao Z., Zeng X., Zhao X., Shu Y., Chen J., Yi J., He J. Effect of ITO target crystallinity on the properties of sputtering deposited ITO films. Ceram. Int. 2020;46(5):6342–6350. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.11.110

7. Chen Y., Du C., Sun L., Fu T., Zhang R., Rong W., Cao S., Li X., Shen H., Shi D. Improved optical properties of perovskite solar cells by introducing Ag nanoparticles and ITO AR layers. Sci. Rep. 2011;11:14550 https://doi.org/10.1038/s41598-021-93914-1

8. Chu F., Wang D., Liu C., Li L., Wang W.H. Multi-View 2D/3D Switchable Display with Cylindrical Liquid Crystal Lens Array. Crystals. 2021;11(6):715. https://doi.org/10.3390/cryst11060715

9. Rasheed M., Barille R. Optical constants of DC sputtering derived ITO, TiO2 and TiO2:Nb thin films characterized by spectrophotometry and spectroscopic ellipsometry for optoelectronic devices. J. Non. Cryst. Solids. 2017;476:1–14. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2017.04.027

10. Losego M.D., Efremenko A.Y., Rhodes C.L., Cerruti M.G., Franzen S., Maria J.P. Conductive oxide thin films: Model systems for understanding and controlling surface plasmon resonance. J. Appl. Phys. 2009;106(2):024903. https://doi.org/10.1063/1.3174440

11. Amin R., Maiti R., Gui Y., Suer C., Miscuglio M., Heidari E., Khurgin J.B., Chen R.T., Dalir H., Sorger V.J. Heterogeneously integrated ITO plasmonic Mach–Zehnder interferometric modulator on SOI. Sci. Rep. 2021;11:1287. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80381-3

12. Dong W.J., Yu H.K., Lee J.L. Abnormal dewetting of Ag layer on three-dimensional ITO branches to form spatial plasmonic nanoparticles for organic solar cells. Sci. Rep. 2020;10:12819. https://doi.org/10.1038/s41598-020-69320-4

13. Liu C., Wang J., Wang F., Su W., Yang L., Lv J., Fu G., Li X., Liu Q., Sun T., Chu P.K. Surface plasmon resonance (SPR) infrared sensor based on D-shape photonic crystal fibers with ITO coatings. Opt. Commun. 2020;464:125496. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2020.125496

14. El Nahrawy A.M., Abou Hammad A.B., Youssef A.M., Mansour A.M., Othman A.M. Thermal, dielectric and antimicrobial properties of polystyrene-assisted/ITO:Cu nanocomposites. Appl. Phys. A. 2019;125:46. https://doi.org/10.1007/s00339018-2351-5

15. Mei F., Huang J., Yuan T., Li R. Effect of cerium doping on the microstructure and photoelectric properties of Ce-doped ITO films. Appl. Surf. Sci. 2020;509:144810. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.144810

16. Taha H., Jiang Z.T., Yin C.Y., Henry D.J., Zhao X., Trotter G., Amri A. A Novel Approach for Fabricating Transparent and Conducting SWCNTs/ITO Thin Films for Optoelectronic Applications. J. Phys. Chem. C. 2018;122(5):3014–3027. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b10977

17. Каманина Н.В., Васильев П.Я., Студенов В.И., Усанов Ю.Е. Упрочнение прозрачных проводящих покрытий и «мягких» материалов ИК диапазона спектра при применении нанотехнологий. Оптический журнал. 2008;75(1):83–84.

18. Kamanina N., Toikka A., Gladysheva I. ITO conducting coatings properties improvement via nanotechnology approach. Nano Express. 2021;2(1):010006. https://doi.org/10.1088/2632-959X/abd90c

19. Kamanina N., Toikka A., Valeev B., Kvashnin D. Carbon Nanotubes Use for the Semiconductors ZnSe and ZnS Material Surface Modification via the Laser-Oriented Deposition Technique. C – Journal of Carbon Research. 2021;7(4):84. https://doi.org/10.3390/c7040084

20. Garcia-Caurel E., De Martino A., Gaston J.P., Yan L. Application of Spectroscopic Ellipsometry and Mueller Ellipsometry to Optical Characterization. Appl. Spectroscopy. 2013;67(1):1–21. https://doi.org/10.1366/12-06883

21. Fujiwara H. Spectroscopic Ellipsometry. The Atrium, Chichester, West Sussex, England: John Wiley & Songs; 2007. 369 p.

22. König T.A.F., Ledin P.A., Kerszulis J., Mahmoud M.A., El-Sayed M.A., Reynolds J.R., Tsukruk V.V. Electrically Tunable Plasmonic Behavior of Nanocube–Polymer Nanomaterials Induced by a Redox-Active Electrochromic Polymer. ACS Nano. 2014;8(6):6182–6192. https://doi.org/10.1021/nn501601e

23. Ermolaev G.A., Tsapenko A.P., Volkov V.S., Anisimov A.S., Gladush Y.G., Nasibulin A.G. Express determination of thickness and dielectric function of single-walled carbon nanotube films. Appl. Phys. Lett. 2020;116:231103. https://doi.org/10.1063/5.0012933

24. Тойкка А.С., Федорова Л.О., Каманина Н.В. Влияние лазерно-осажденных углерод-содержащих наночастиц на ориентирующие свойства проводящего слоя на основе оксида индия и олова для жидкокристаллических устройств. Оптический журнал. 2024;91(1):91–100. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-01-91-100

25. Bonch-Bruevich A.M., Libenson M.N., Makin V.S., Trubaev V.V. Surface electromagnetic waves in optics. Opt. Eng. 1992;31(4):718–730. https://doi.org/10.1117/12.56133

26. Toikka A.S., Kamanina N.V. Formation of the anisotropic ITO-based orienting layers for the liquid crystal devices. St. Petersburg State Polytechnical University Journal. Physics and Mathematics. 2023;16(3.2):244–248. https://doi.org/10.18721/JPM.163.242