Defect engineering of phase transition materials to create optical metasurfaces
Active, widely tunable optical materials have enabled rapid advances in photonics and optoelectronics, especially in the emerging field of meta-devices. Of the tunable optical materials, one of the most prolifically studied is vanadium dioxide (VO2), which undergoes a reversible insulator-metal-transition (IMT) as the temperature reaches a critical temperature of approximately 67°C due to strong electron correlations. Effective optical properties of ultra-thin VO2 films arise as a consequence of the natural occurring phase coexistence within the temperature range of the IMT. In the first part of this thesis the application of ultra-thin VO2 films for optical metasurfaces in the mid-infrared spectral region is theoretically and experimentally investigated. The second part of this thesis is concerned with local ion beam modification of ultra-thin VO2 films. Energetic ion beams are widely used to modify the electronic and structural properties of solids by introducing impurity atoms into the crystal lattice. Commonly, the inevitable formation of irradiation damage during ion bombardment is described as disadvantageously for ion beam doping and subsequent post-implantation annealing procedures are required. Since the electronic structure of strongly electron correlated materials, such as VO2, is very sensitive to small amounts of lattice defects, ion beam induced damage formation combined with lithographic patterning is introduced and comprehensively studied in this thesis as a method to locally adjust the phase transitions of these materials. Using this robust technique, optical metasurfaces, including tunable absorbers with artificially induced phase coexistence and tunable polarizers based on thermally triggered dichroism in ultra-thin VO2 films are demonstrated.
Aktiv veränderliche optische Materialien ermöglichen rasante Fortschritte in der Photonik und Optoelektronik, insbesondere im aufstrebenden Gebiet der Metaoberflächen. Eines der am besten untersuchten veränderlichen optischen Materialien ist Vanadiumdioxid (VO2). Aufgrund starker Elektronenkorrelation durchläuft dieses Material einen reversiblen Isolator-Metall-Übergang (IMT), wenn die Temperatur eine kritische Temperatur von ungefähr 67 °C überschreitet. Effektive optische Eigenschaften werden durch die natürlich vorkommende Phasenkoexistenz in VO2-Schichten innerhalb des Temperaturbereichs des Phasenübergangs ermöglicht. Im ersten Teil dieser Arbeit wird die Anwendung extrem dünner VO2-Schichten für optische Metaoberflächen im mittleren Infrarot theoretisch und experimentell untersucht. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der lokalen Modifikation extrem dünner VO2-Schichten. Energetische Ionenstrahlen werden häufig verwendet, um die elektronischen und strukturellen Eigenschaften von Festkörpern zu modifizieren, indem Dotieratome in das Kristallgitter eingebracht werden. Die während des Ionenbeschusses auftretende Bildung von Bestrahlungsschäden ist sehr nachteilig, was üblicherweise eine thermische Nachbehandlung zur Reduktion der Gitterschädigung erforderlich macht. Die elektronische Struktur stark elektronenkorrelierter Materialien, wie z.B. VO2, reagiert sehr empfindlich auf kleinste Gitterdefektkonzentrationen. Daher wird in dieser Arbeit die Kombination ionenstrahlinduzierter Gitterschädigung und lithographische Strukturierung als Methode zur lokalen Anpassung der Phasenübergänge elektronenkorrelierter Materialien eingeführt. Mit Hilfe dieser Technik werden optische Metaoberflächen, einschließlich einstellbarer Absorber mit künstlich induzierter Phasenkoexistenz und veränderliche Polarisatoren in extrem dünnen VO2-Schichten, demonstriert.
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