Rationale behind subpicosecond optical response of transparent conductive oxides in epsilon-near-zero region

超短脉冲 材料科学 氧化铟锡 光电子学 半导体 光子学 瞬态响应 光开关 光学 纳米技术 物理 薄膜 激光器 电气工程 工程类
作者
Fengling Zhang,Conglong Chen,Kuidong Wang,Haijuan Zhang,Jie Chen
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:129 (24) 被引量:12
标识
DOI:10.1063/5.0051707
摘要

Developing materials with large optical nonlinearity as well as ultrafast optical response is crucial for high-speed integrated photonic devices. Besides large optical nonlinearity at telecommunication wavelengths, some degenerated semiconductors as transparent conductive oxides are found to have subpicosecond optical responses, yet the theoretical elucidation of such unexpected fast temporal dynamics is still lacking. In this study, after resonant intraband excitation, the recovery of transient nonlinear response was revealed to be 20 times faster in indium tin oxide than in gold with ultrafast time-resolved transmission spectroscopy. By simulating the optical response processes using the two-temperature model, we found that the electron–phonon scattering rates of indium tin oxide and aluminum doped zinc oxide are about 2 orders of magnitude as large as that of gold, which is suggested to be the main origin of the diverse optical response speed. This study quantitatively attributes the measured transient optical response to ultrafast quasi-particle interactions and gives new insights into the theoretical description of the ultrafast dynamics in both metals and degenerated semiconductors.

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