ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2024-24-3-339-347ntv-241Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИOPTICAL ENGINEERINGОптические свойства границы раздела тонких пленок оксидов индия и олова с лазерно-осажденными одностенными углеродными нанотрубкамиOptical properties of the interface between indium tin oxides thin films and laserdeposited single-walled carbon nanotubeshttps://orcid.org/0000-0002-8694-8497ТойккаА. С.ToikkaA. S.

Тойкка Андрей Сергеевич — аспирант; младший научный сотрудник

Санкт-Петербург, 197022

Гатчина, 188300

Andrei S. Toikka — PhD Student; Junior Researcher

Saint Petersburg, 197022

Gatchina, 188300 

https://orcid.org/0000-0002-2903-2685КаманинаН. В.KamaninaN. V.

Каманина Наталия Владимировна — доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, заведующий лаборатории; профессор; ведущий научный сотрудник 

Санкт-Петербург, 192171

197022, Санкт-Петербург

Гатчина, 188300

Natalia V. Kamanina — D.Sc. (Physics & Mathematics), Senior Researcher, Head of Laboratory; Professor; Leading Researcher

Saint Petersburg, 192171

Saint Petersburg, 197022

Gatchina, 188300

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина); Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»РоссияSaint Petersburg Electrotechnical University “LETI”; Petersburg Nuclear Physics Institute — National Research Center “Kurchatov Institute”Russian FederationНПО «Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова»; Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина); Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»РоссияResearch and Production Association “Vavilov State Optical Institute”; Saint Petersburg Electrotechnical University “LETI”; Petersburg Nuclear Physics Institute – National Research Center “Kurchatov Institute”Russian Federation202416122024243339347Copyright © Тойкка А.С., Каманина Н.В., 20242024Тойкка А.С., Каманина Н.В.Toikka A.S., Kamanina N.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/241

Введение. Представлены результаты исследования оптических свойств тонких пленок на основе оксидов индия и олова (Indium Tin Oxide, ITO) с одностенными углеродными нанотрубками. Метод. Тонкие пленки ITO напылялись на подложки стекла К8 методом лазерно-ориентированного осаждения. Этим же методом на поверхность ITO наносились одностенные углеродные нанотрубки. Для варьирования параметров границы раздела применялась перестройка средней напряженности электрического поля в процессе осаждения в диапазоне 100–600 В/см. Идентификация структур производилась методом эллипсометрии в спектральном диапазоне 200–800 нм. Для интерпретации результатов эллипсометрии тонких пленок ITO на стеклянных подложках К8 применялись совместно модели Коши (для подложек) и Лоренца (для ITO). Анализ границы раздела ITO c углеродными нанотрубками проводился методом аппроксимации сплошной среды и с использованием модели Лоренца с несколькими осцилляторами. Основные результаты. Показано, что при лазерно-ориентированном осаждении углеродных нанотрубок на поверхность тонких пленок ITO, согласно методу аппроксимации сплошной среды, толщина границы раздела ITO–углеродные нанотрубки варьируется в диапазоне 23–36 нм при содержании углеродных нанотрубок в диапазоне 30–64 % на границе раздела. Рост данных параметров коррелирует с увеличением средней напряженности электрического поля в процессе осаждения углеродных нанотрубок. В соответствии с моделью Лоренца наблюдается длинноволновый сдвиг пиков коэффициентов экстинкции и снижение показателя преломления границы раздела в видимой области. Данный эффект можно объяснить имплантацией углеродных нанотрубок в ITO. При увеличении напряженности электрического поля повышается вклад лазерно-осажденных углеродных нанотрубок в границу раздела ITO–углеродные нанотрубки, который сопровождается уменьшением показателя преломления в видимой области и длинноволновым сдвигом пиков коэффициентов экстинкции. Обсуждение. Полученные результаты свидетельствуют о формировании композитной структуры на основе ITO с углеродными нанотрубками, оптическими свойствами которой можно управлять путем изменения средней напряженности электрического поля в процессе лазерно-ориентированного осаждения. Указанные структуры могут быть использованы при проектировании элементов оптической электроники в случаях необходимости оптического согласования с соседними функциональными слоями. 

The results of a study of the optical properties of thin films based on indium tin oxides (ITO) with single-walled carbon nanotubes are presented. ITO thin films were deposited onto K8 crown glass substrates using laser-oriented deposition. Using the same method, single-walled carbon nanotubes were deposited onto the ITO surface. To vary the parameters of the interface, the average electric field strength in the range of 100–600 V/cm was adjusted during the deposition process. Identification of the structures was carried out by ellipsometry in the spectral range of 200–800 nm. To interpret the ellipsometry results of ITO thin films on K8 crown glass substrates, the Cauchy (for substrates) and Lorentz (for ITO) models were used together. The ITO–carbon nanotubes interface analysis was carried out by effective medium approximation and the Lorentz model using several oscillators. It has been shown, that in laser-oriented deposition of carbon nanotubes onto the surface of ITO thin films, according to the effective medium approximation, the thickness of the carbon nanotubes-ITO interface varies in the range of 23–36 nm with the percentage of carbon nanotubes in the range of 30–64 % at the interface. The increase in these parameters correlates with an increase in the average electric field strength during the deposition of carbon nanotubes. In accordance with the Lorentz model, a long-wavelength shift of the extinction coefficient peaks and a decrease in the refractive index of the interface in the visible region are observed. This phenomenon is caused by the implantation of carbon nanotubes into ITO. As the electric field strength increases, the contribution of laser-deposited carbon nanotubes to the ITO–carbon nanotubes interface increases, which is accompanied by a decrease in the refractive index in the visible region and a long-wavelength shift of the extinction coefficient peaks. The data obtained indicate the formation of a composite structure based on ITO with carbon nanotubes, the optical properties of which can be controlled by the average electric field strength during the laser-oriented deposition. These structures can be used in the design of optical electronics elements problems in cases where optical matching with adjacent functional layers is necessary.

ITOоксиды индия и оловаодностенные углеродные нанотрубкиграница разделалазерный ориентированный метод осажденияэллипсометрияоптические свойстваITOsingle-walled carbon nanotubesinterfacelaser-oriented deposition methodellipsometryoptical propertiesИсследование частично поддержано грантом Российского научного фонда № 24-23-00021.Research was partially supported by the Russian Science Foundation, grant No. 24-23-00021.ReferencesDong 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 // Scientific Reports. 2020. V. 10. N 1. P. 12819. https://doi.org/10.1038/s41598-020-69320-4Dong 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. Scientific Reports, 2020, vol. 10, no. 12819, pp. 12819. https://doi.org/10.1038/s41598-02069320-4Amin 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 // Scientific Reports. 2021. V. 11. N 1. P. 1287. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80381-3Amin 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. Scientific Reports, 2021, vol. 11, no. 1, pp. 1287. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80381-3Liu 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 // Optics Communications. 2020. V. 464. P. 125496. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2020.125496Liu 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. Optics Communications, 2020, vol. 464, pp. 125496. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2020.125496Hong C.H., Shin J.H., Ju B.K., Kim K.-H., Park N.-M., Kim B.-S., Cheong W.-S. Index-matched indium tin oxide electrodes for capacitive touch screen panel applications // Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2013. V. 13. N 11. P. 7756–7759. https://doi.org/10.1166/jnn.2013.7814Hong C.H., Shin J.H., Ju B.K., Kim K.-H., Park N.-M., Kim B.-S., Cheong W.-S. Index-matched indium tin oxide electrodes for capacitive touch screen panel applications. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2013, vol. 13, no. 11, pp. 7756–7759. https://doi.org/10.1166/jnn.2013.7814Ahmed M., Bakry A., Qasem A., Dalir H. The main role of thermal annealing in controlling the structural and optical properties of ITO thin film layer // Optical Materials. 2021. V. 113. P. 110866. https:// doi.org/10.1016/j.optmat.2021.110866Ahmed M., Bakry A., Qasem A., Dalir H. The main role of thermal annealing in controlling the structural and optical properties of ITO thin film layer. Optical Materials, 2021, vol. 113, pp. 110866. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2021.110866Losego 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 // Journal of Applied Physics. 2009. V. 106. N 2. P. 024903. https://doi.org/10.1063/1.3174440Losego 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. Journal of Applied Physics, 2009, vol. 106, no. 2, pp. 024903. https://doi.org/10.1063/1.3174440El 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 // Applied Physics A. 2019. V. 125. N 1. P. 46. https://doi.org/10.1007/s00339018-2351-5El 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. Applied Physics A, 2019, vol. 125, no. 1, pp. 46. https://doi.org/10.1007/s00339-018-2351-5Mei F., Huang J., Yuan T., Li R. Effect of cerium doping on the microstructure and photoelectric properties of Ce-doped ITO films // Applied Surface Science. 2020. V. 509. P. 144810. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.144810Mei F., Huang J., Yuan T., Li R. Effect of cerium doping on the microstructure and photoelectric properties of Ce-doped ITO films. Applied Surface Science, 2020, vol. 509, pp. 144810. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.144810Taha H., Jiang Z.T., Yin C.Y., Henry D.J., Zhao X., Trotter G., Amri A. Novel approach for fabricating transparent and conducting SWCNTs/ITO thin films for optoelectronic applications // Journal of Physical Chemistry C. 2018. V. 122. N 5. P. 3014–3027. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b10977Taha H., Jiang Z.T., Yin C.Y., Henry D.J., Zhao X., Trotter G., Amri A. Novel approach for fabricating transparent and conducting SWCNTs/ITO thin films for optoelectronic applications. Journal of Physical Chemistry C, 2018, vol. 122, no. 5, pp. 3014–3027. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b10977Toikka A., Ilin M., Kamanina N. Perspective coatings based on structured conducting ITO thin films for general optoelectronic applications // Coatings. 2024. V. 14. N 2. P. 178. https://doi.org/10.3390/coatings14020178Toikka A., Ilin M., Kamanina N. Perspective coatings based on structured conducting ITO thin films for general optoelectronic applications. Coatings, 2024, vol. 14, no. 2, pp. 178. https://doi.org/10.3390/coatings14020178Каманина Н.В., Васильев П.Я., Студенов В.И. Оптическое покрытие на основе ориентированных в электрическом поле углеродных нанотрубок для оптического приборостроения, микрои наноэлектроники при нивелировании границы раздела сред: твердая подложка-покрытие. Патент RU 2405177. Бюл. 2010. № 33.Kamanina N.V., Vasil’ev P.J., Studenov V.I. Optical coating based on carbon nanofibres aligned in electric field for optical instrument making, microand nano-electronics when levelling boundary interface of media: solid substrate-coating. Patent RU 2405177, 2010. (in Russian)Complete EASE: Data Analysis Manual (version 4.63). J.A. Wollam Co. 2011, 410 p.Complete EASE: Data Analysis Manual (version 4.63). J.A. Wollam Co. 2011, 410 p.Jung Y.S. Spectroscopic ellipsometry studies on the optical constants of indium tin oxide films deposited under various sputtering conditions // Thin Solid Films. 2004. V. 467. N 1-2. P. 36–42. https:// doi.org/10.1016/j.tsf.2004.02.047Jung Y.S. Spectroscopic ellipsometry studies on the optical constants of indium tin oxide films deposited under various sputtering conditions. Thin Solid Films, 2004, vol. 467, no. 1-2, pp. 36–42. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2004.02.047Emam-Ismail M., El-Hagary M., El-Sherif H.M., El-Nahass M.M. Spectroscopic ellipsometry and morphological studies of nanocrystalline NiO and NiO/ITO thin films deposited by e-beams technique // Optical Materials. 2021. V. 112. P. 110763. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2020.110763Emam-Ismail M., El-Hagary M., El-Sherif H.M., El-Nahass M.M. Spectroscopic ellipsometry and morphological studies of nanocrystalline NiO and NiO/ITO thin films deposited by e-beams technique. Optical Materials, 2021, vol. 112, pp. 110763. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2020.110763Ermolaev G.A., Tsapenko A.P., Volkov V.S., 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 // Applied Physics Letters. 2020. V. 116. N 23. P. 231103. https://doi.org/10.1063/5.0012933Ermolaev G.A., Tsapenko A.P., Volkov V.S., 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. Applied Physics Letters, 2020, vol. 116, no. 23, pp. 231103. https://doi.org/10.1063/5.0012933Kamanina N.V., Zubtcova Yu.A., Kukharchik A.A., Lazar C., Rau I. Control of the IR-spectral shift via modification of the surface relief between the liquid crystal matrixes doped with the lanthanide nanoparticles and the solid substrate // Optics Express. 2016. V. 24. N 2. P. A270–A275. https://doi.org/10.1364/oe.24.00a270Kamanina N.V., Zubtcova Yu.A., Kukharchik A.A., Lazar C., Rau I. Control of the IR-spectral shift via modification of the surface relief between the liquid crystal matrixes doped with the lanthanide nanoparticles and the solid substrate. Optics Express, 2016, vol. 24, no. 2, pp. A270–A275. https://doi.org/10.1364/oe.24.00a270Sheka E.F., Chernozatonskii L.A. Graphene-carbon nanotube composites // Journal of Computational and Theoretical Nanoscience. 2010. V. 7. N 9. P. 1814–1824. https://doi.org/10.1166/jctn.2010.1546Sheka E.F., Chernozatonskii L.A. Graphene-carbon nanotube composites. Journal of Computational and Theoretical Nanoscience, 2010, vol. 7, no. 9, pp. 1814–1824. https://doi.org/10.1166/ jctn.2010.1546

The authors declare that there are no conflicts of interest present.