Ion beam tailoring of phase change materials for metasurfaces
Final Report Abstract
Die Ionenbestrahlung bzw. –dotierung wurde erfolgreich eingesetzt, um die optischen Eigenschaften verschiedenerer Materialklassen gezielt zu modifizieren. Darüber hinaus konnte für Phasenwechsel-, Phasenübergangsmaterialien sowie Halbleiter jeweils Parametersätze gefunden werden bei denen ein sehr hoher optischer Kontrast zwischen unbestrahlten und bestrahlten Bereichen auftritt. In Kombination mit lithografischer Maskierung oder direktem Ionenstrahlschreiben konnte der so induzierte optische Kontrast genutzt werden, um prototypische Metaoberflächen aus allen drei Materialsystemen zu erzeugen. Zudem wurden im Rahmen des Projektes die grundlegenden und physikalischen Mechanismen bei der Ionenbestrahlung der jeweiligen Materialien identifiziert. Im ZnO kommt es beim Einbringen von hohen Mengen Gallium zu einer sehr hohen (je nach Prozessparameter sogar hyper-) Dotierung des elektronischen Systems (Mott-Übergang), wobei Defekte nach einem thermischen Ausheilen eine untergeordnete Rolle spielen. Die optische Antwort der freien Ladungsträger (Drude-Term) kann im infraroten Bereich kontinuierlich bis hin zu industriell relevanten Telekommunikations-Wellenlängen verändert werden. Im VO2 liegt hingegen eine andere Situation vor. Die durch die Ionenbestrahlung erzeugten Punktdefekte (Frenkel-Paare) führen zu lokalen Verspannungen, die dann empfindlich die Stabilität der Elektronenhybridisierung stört und somit den Isolator-Metall-Übergang im VO2 absenkt. Durch die induzierte Defektdichte kann der Übergang kontinuierlich bis auf Raumtemperatur verschoben werden, jedoch führt eine vollständige Amorphisierung zum Verlust des Überganges und entsprechend optischen Kontrastes. Die komplexeste Situation liegt bei der Bestrahlung von GST vor. Einerseits kann durch die gezielte Dotierung mit Fremdatomen das elektronische System ebenfalls so verändert werden, dass es zu einer veränderten Phasenkinetik kommt und die Phasenumwandlung gezielt bei verschieden Temperaturen eingestellt werden kann. Andererseits tragen aber auch induzierte Defekte in GST bei bereits geringen Mengen (bzw. bei geringen Ionenfluenzen) schon zu einem starken optischen Kontrast bei. Mit Erhöhung der Ionenfluenz kommt es zu einer Segregation von Punktdefekten, die ausgedehnte Defektstrukturen bilden (Hohlräume, Stapelfehler, Korngrenzen), bis hin zur vollständigen Amorphisierung. Insgesamt bewerten wir dieses Projekt als sehr erfolgreich, da einerseits eine Vielzahl an Personen im Rahmen ihrer jeweiligen Abschlussarbeiten davon profitieren konnten. Und andererseits konnte auch die Methodik Ionenbestrahlung bzw. -dotierung im Bereich der Optik und Photonik etabliert werden. Letzteres wurden nicht nur durch Veröffentlichungen erreicht, sondern auch durch mehrere eingeladenen Vorträge auf entsprechenden Konferenzen (Meta, OSA) und an Institutionen erzielt.
Publications
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Metasurfaces Enabled by Locally Tailoring Disorder in Phase-Change Materials. ACS Photonics, 5(12), 5103-5109.
Hafermann, Martin; Schöppe, Philipp; Rensberg, Jura & Ronning, Carsten
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On the Optical Properties of Thin‐Film Vanadium Dioxide from the Visible to the Far Infrared. Annalen der Physik, 531(10).
Wan, Chenghao; Zhang, Zhen; Woolf, David; Hessel, Colin M.; Rensberg, Jura; Hensley, Joel M.; Xiao, Yuzhe; Shahsafi, Alireza; Salman, Jad; Richter, Steffen; Sun, Yifei; Qazilbash, M. Mumtaz; Schmidt‐Grund, Rüdiger; Ronning, Carsten; Ramanathan, Shriram & Kats, Mikhail A.
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Grayscale Nanopatterning of Phase-Change Materials for Subwavelength-Scaled, Inherently Planar, Nonvolatile, and Reconfigurable Optical Devices. ACS Applied Nano Materials, 3(5), 4486-4493.
Hafermann, Martin; Zapf, Maximilian; Ritzer, Maurizio; Printschler, Axel; Luo, Yue; Ambrosio, Antonio; Wilson, William L. & Ronning, Carsten
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Fast recovery of ion-irradiation-induced defects in Ge2Sb2Te5 thin films at room temperature. Optical Materials Express, 11(10), 3535.
Hafermann, Martin; Schock, Robin; Wan, Chenghao; Rensberg, Jura; Kats, Mikhail A. & Ronning, Carsten
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Heavily doped zinc oxide with plasma frequencies in the telecommunication wavelength range. Optica Advanced Photonics Congress 2022 (2022), NoTh1E.5. American Geophysical Union (AGU).
Koch, Alexander; Mei, Hongyan; Rensberg, Jura; Hafermann, Martin; Salman, Jad; Wan, Chenghao; Wambold, Raymond; Blaschke, Daniel; Schmidt, Heidemarie; Salfeld, Jürgen; Geburt, Sebastian; Kats, Mikhail A. & Ronning, Carsten
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Tuning carrier density and phase transitions in oxide semiconductors using focused ion beams. Nanophotonics, 11(17), 3923-3932.
Mei, Hongyan; Koch, Alexander; Wan, Chenghao; Rensberg, Jura; Zhang, Zhen; Salman, Jad; Hafermann, Martin; Schaal, Maximilian; Xiao, Yuzhe; Wambold, Raymond; Ramanathan, Shriram; Ronning, Carsten & Kats, Mikhail A.
