Terahertz imaging applications and characterization of ITO thin films grown by magnetron sputtering

Abstract

THz radiation (0.1-10 THz) has unique properties not found in other parts of the electromagnetic spectrum. THz technological applications need high-performance THz imaging and spectroscopy system components such as THz filters, modulators, reflectors. Transparent conducting oxides (TCOs) meet these needs in the THz field. Indium tin oxide (ITO) thin film is one of the most used materials among the TCOs. However, the research on the THz properties of ITO film is currently at an early stage. In this thesis, ITO thin films were deposited on borosilicate (BS), fused silica (FS) and PET substrates using large area magnetron sputtering system. Optical, structural and electrical properties of the ITO films on different substrates were analyzed. Moreover, the effect of electro-annealing in vacuum and air on the properties of ITO films grown on BS and FS substrates were investigated. Furthermore, CW THz imaging system were designed to take THz images of some objects and to analyze THz properties of ITO films grown on FS and PET substrates. Our findings indicate that electrical, structural and optical properties of ITO films can be improved by electro-annealing in air and vacuum. We addressed that electro-annealing in vacuum is more appropriate technique for the applications in industry. We also addressed the importance of oxygen partial pressure and ITO film thickness to adopt them as a transparent electrode in flexible devices. Moreover, our analysis about the THz properties of ITO films on FS and PET substrates showed that fabricated ITO films have potential application in THz field such as THz filters, modulators and reflectors.

THz radyasyonu (0.1-10 THz), elektromanyetik spektrumun diğer kısımlarında bulunmayan benzersiz özelliklere sahiptir. THz teknolojik uygulamaları, THz filtreleri, modülatörler, reflektörler gibi yüksek performanslı THz görüntüleme ve spektroskopi sistemi bileşenlerine ihtiyaç duyar. Şeffaf iletken oksitler (TCO'lar) THz alanında bu ihtiyaçları karşılar. İndiyum kalay oksit (ITO) ince filmi TCO'lar arasında en çok kullanılan malzemelerden biridir. Ancak, ITO filminin THz özellikleri üzerine yapılan araştırmalar şu anda erken bir aşamadadır. Bu tezde, ITO ince filmler, geniş alanlı mıknatıssal saçtırma sistemi kullanılarak borosilikat (BS), kaynaşmış silikat (FS) ve PET alttaşları üzerine kaplanmıştır. Farklı alttaş üzerindeki ITO filmlerinin optik, yapısal ve elektriksel özellikleri analiz edildi. Ayrıca, vakum ve havadaki elektriksel-tavlamanın BS ve FS alttaşları üzerinde büyütülen ITO filmlerinin özellikleri üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Ayrıca, CW THz görüntüleme sistemi, bazı nesnelerin THz görüntülerini almak, FS ve PET alttaşları üzerinde büyüyen ITO filmlerin THz özelliklerini analiz etmek için tasarlanmıştır. Bulgularımız, ITO filmlerinin elektriksel, yapısal ve optik özelliklerinin havada ve vakumda elektrikseltavlama ile iyileştirilebileceğini göstermektedir. Vakumda elektriksel-tavlamanın endüstrideki uygulamalar için daha uygun bir teknik olduğunu gözlemledik. Esnek cihazlarda şeffaf bir elektrot olarak kullanılabilmesi için oksijen kısmi basıncının ve ITO film kalınlığının önemini de ele aldık. Ayrıca, FS ve PET alttaşları üzerindeki ITO filmlerinin THz özellikleri hakkındaki analizimiz, üretilen ITO filmlerinin THz filtreleri, modülatörler ve reflektörler gibi THz alanında potansiyel uygulamaya sahip olduğunu göstermiştir.