胡錦蓮++王祥東

摘 要：金屬納米結(jié)構(gòu)具有表面等離激元（Surface Plasmon，SP），與光相互作用下會(huì)產(chǎn)生特殊的光學(xué)特性，在光學(xué)透射增強(qiáng)和光電信息增強(qiáng)等方面有重大的應(yīng)用價(jià)值。該文采用時(shí)域有限差分法（Finite-Difference Time-Domain，F(xiàn)DTD）對鋁周期性納米矩形孔洞陣列結(jié)構(gòu)的表面等離激元特性進(jìn)行研究。結(jié)果表明，當(dāng)偏振光入射時(shí)，通過改變矩形納米孔洞間金屬實(shí)體的尺寸縱橫比，可以實(shí)現(xiàn)透射峰在深紫外至藍(lán)光區(qū)的調(diào)控。

關(guān)鍵詞：表面等離激元 鋁周期性納米結(jié)構(gòu) 透射增強(qiáng) 深紫外

中圖分類號：U662 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（c）-0117-03

表面等離激元實(shí)質(zhì)上由被束縛于金屬表面的光波與金屬表面的自由電子發(fā)生共振耦合作用形成，它使得結(jié)構(gòu)邊緣處的局域電場得到極大的增強(qiáng)。這種特性在光電探測[1]、光學(xué)濾波器[2]、生化分析和環(huán)境檢測等光信息增強(qiáng)領(lǐng)域都有著十分重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。

目前關(guān)于SP的研究主要集中在可見至紅外光區(qū)，材料以貴金屬金、銀和銅為主，它們的SP一般在可見至近紅外波段可調(diào)，深紫外的SP卻不易獲得。然而，可見/紅外波段的光電信息科技發(fā)展日趨成熟，而紫外光區(qū)的光信息技術(shù)展現(xiàn)獨(dú)特的優(yōu)勢。紫外光因具有更短的波長而具有更高的存儲密度；紫外光是日盲光，在紫外光電探測和紫外通信領(lǐng)域應(yīng)用中，能有效避免可見光和紅外光的干擾。

大量研究表明孔洞形狀深刻影響局域表面等離激元（Localized Surface Plasmon，LSP）的激發(fā)，從而影響金屬周期性孔洞陣列結(jié)構(gòu)的光學(xué)透射特性，但大多數(shù)情形下，往往是觀察到可見/紅外波段LSP調(diào)控共振波長，卻沒有進(jìn)一步優(yōu)化。因此，筆者設(shè)計(jì)了一種鋁周期性矩形納米孔陣列結(jié)構(gòu)，通過改變結(jié)構(gòu)單元的尺寸研究其在紫外至藍(lán)光區(qū)對光學(xué)透射特性的調(diào)控。

1 計(jì)算模型設(shè)置

使用時(shí)域有限差分法（Finite-Difference Time-Domain，F(xiàn)DTD）計(jì)算模擬成三角對稱的鋁矩形孔洞陣列的透射光譜，模型結(jié)構(gòu)和尺寸示意圖如圖1A所示。鋁膜厚度50 nm，鋁和空氣接觸的表面有一層厚度為2 nm的氧化層，鋁膜內(nèi)為矩形孔洞陣列，孔洞中介質(zhì)為空氣。兩個(gè)相鄰的孔洞中心距離是P，也是該結(jié)構(gòu)的周期，矩形孔洞沿X軸方向長度為Lx，孔洞沿Y軸方向長度為Ly，沿X軸和Y軸方向的孔洞間金屬實(shí)體長度分別為（P-Lx）和Ly。計(jì)算過程中，模擬時(shí)間為1 000 fs，光源是平面波（plane wave）。電場偏振方向沿X軸方向，模擬區(qū)域在X、Y方向上設(shè)定為周期性邊界條件（periodic），Z方向上為完美匹配層吸收邊界條件（PML），為滿足計(jì)算精度以及提高運(yùn)算速度，計(jì)算網(wǎng)格精度設(shè)定為dx=dy=dz=1 nm。鋁、氧化鋁和二氧化硅的折射率是取自Palik[3]主編的書。

眾所周知，孔洞尺寸對光的透射率有很大的影響，孔洞尺寸越大，透過的光越多。因此，筆者引用占空比這一概念，占空比是指孔洞的面積占周期結(jié)構(gòu)總面積的比值。一般來說，由于金屬表面等離激元的貢獻(xiàn)，小孔的透過率可以大于占空比。

2 結(jié)果與討論

使用FDTD針對周期為200 nm，鋁膜厚度為50 nm，矩形孔洞周期和面積保持不變，研究矩形Lx和Ly變化對鋁周期性納米孔洞陣列結(jié)構(gòu)透射特性的影響。首先對矩形孔洞Lx和Ly都為106.4 nm的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算，得到的透射譜如圖1B所示?？梢悦黠@看出透射譜中有兩個(gè)共振峰，峰位分別位于250 nm和346 nm處。

為了研究鋁周期性納米孔洞陣列結(jié)構(gòu)的透射峰模式，分別計(jì)算了峰位在250 nm和346 nm處的電場分布圖，分別如圖1（B）中上插圖和下插圖所示。從1（B）插圖中看出，矩形納米孔洞結(jié)構(gòu)在孔洞口處可得到強(qiáng)局域場，這表明引起局域電場增強(qiáng)是由納米結(jié)構(gòu)上下表面所處的環(huán)境介質(zhì)和金屬結(jié)構(gòu)共同作用的。從上插圖明顯看出，電場增強(qiáng)因子最大處是上表面孔洞口處，說明激發(fā)波長在250 nm處的透射增強(qiáng)是金屬上表面和空氣界面被入射光激發(fā)表面等離激元，引起局域電場增強(qiáng)，稱air（1，0）模式；同理從下插圖明顯看出，電場增強(qiáng)因子最大處是下表面孔洞口處，說明激發(fā)波長在346 nm處的透射增強(qiáng)是金屬下表面和襯底界面被入射光激發(fā)表面等離激元，引起局域電場增強(qiáng)，稱SiO2（1，0）模式。電場最強(qiáng)處位于洞口處，使得待探測分子很容易處于孔洞結(jié)構(gòu)附近的強(qiáng)局域場環(huán)境中，這對光電信息增強(qiáng)的應(yīng)用是非常有利的，同時(shí)對開發(fā)紫外光區(qū)的多通道光電納米器件有重要價(jià)值。

保持孔洞面積不變，規(guī)律性地改變矩形孔洞的Lx和Ly，然后分別進(jìn)行計(jì)算，透射譜如圖2（A）所示。從圖2（A）可以看出，隨著沿Y軸方向?qū)挾仍黾?，SiO2（1，0）模式峰位強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)，當(dāng)Ly=150.4 nm時(shí)增透效果最好，透過率是占空比的2倍。而air（1，0）模式峰位隨著Ly增大，強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)Ly=127 nm時(shí)增透效果最好，透過率是占空比的1.37倍。

根據(jù)圖2（A），做出兩種模式透射峰位隨比值變化的關(guān)系圖，如圖2B所示。從圖2B可以看出，隨著矩形孔洞間金屬實(shí)體的X和Y方向長度比值增加，SiO2（1，0）模式和air（1，0）模式共振峰位發(fā)生紅移，在紫外至藍(lán)光區(qū)可調(diào)。當(dāng)矩形孔洞面積不變，Lx減小，Ly會(huì)增大，則金屬實(shí)體部分（如區(qū)域a或b等，虛線所示）沿X軸方向的尺寸比例則增大。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的物理機(jī)制是當(dāng)入射光偏振方向平行X軸，金屬實(shí)體沿著X方向的尺寸比例增加時(shí)，電荷極化的改變導(dǎo)致表面等離激元的峰位紅移[4]，如圖2（B）中插圖所示。同時(shí)，兩個(gè)金屬實(shí)體間的相互耦合也影響著透射峰位。并且從圖2（B）可以看出，兩種模式峰位隨比值增大都紅移，但是SiO2（1，0）模式的共振峰位紅移量很大，而air（1，0）模式的共振峰位紅移量卻很小，說明LSP對SiO2（1，0）模式共振峰位調(diào)控能力更大。

3 結(jié)語

采用FDTD方法對鋁周期性矩形納米孔洞陣列結(jié)構(gòu)的透射特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，通過改變結(jié)構(gòu)孔洞的邊長，能有效在深紫外之藍(lán)光區(qū)調(diào)控透射特性，這主要由于納米孔間金屬實(shí)體的表面等離激元受其在兩個(gè)方向上的尺寸控制。該文中得到的雙波段增透結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用在深紫外藍(lán)光區(qū)的光學(xué)濾波、顏色合成、圖像顯示、光學(xué)檢測傳感、光學(xué)通信、光學(xué)存儲和其他光電信息增強(qiáng)領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1] Bao G，Li D，Sun X，et al.Enhanced spectral response of an Al GaN-based solar-blind ultraviolet photodetector with Al nanoparticles[J].Optics Express，2014，22（20）： 24286-24293.

[2] Chen Q，Cumming DRS.High transmission and low color cross-talk plasmonic color filters using triangular-lattice hole arrays in aluminum films[J].Optics express，2010，18（13）： 14056-14062.

[3] Palik E，Ghosh G，Prucha E.Handbook of Optical Constants of Solids[M].New York： Academic Press，1985.

[4] Hu J，Chen L，Lian Z，et al.Deep-Ultraviolet Blue-Light Surface Plasmon Resonance of Al and Al-core/Al2O3shell in Spherical and Cylindrical Nanostructures[J].Journal of Physical Chemistry C，2012，116（29）：15584-15590.