張宇峰，王 洋，吳元慶，戴景民

1. 渤海大學(xué)新能源學(xué)院，遼寧 錦州 121013 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

引 言

20世紀(jì)70年代以來(lái)，非制冷型紅外微測(cè)輻射熱計(jì)無(wú)需復(fù)雜且昂貴的制冷系統(tǒng)，可大幅降低器件成本和體積，具有功耗低、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 靈敏便捷等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在民用、 商用及軍事紅外探測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。特別是以氧化釩為敏感材料的微測(cè)輻射熱計(jì)發(fā)展更加迅速[2]。對(duì)于多層膜結(jié)構(gòu)的氧化釩微測(cè)輻射熱計(jì)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，材料構(gòu)成、 層厚度等參數(shù)都嚴(yán)重影響其對(duì)紅外輻射的吸收效率[3]。

當(dāng)外界光線照射到金屬表面，光子能量被金屬中自由振蕩的電子所俘獲，形成一種光子與電子相互作用的共振激發(fā)態(tài)，被稱為表面等離激元(surface plasmon polariton, SPP)[4]。SPP可以改變器件的局部電場(chǎng)，能量被限制在一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)。眾多學(xué)者對(duì)SPP產(chǎn)生的電磁場(chǎng)增強(qiáng)特性表現(xiàn)出濃厚興趣[5-7]，紛紛設(shè)計(jì)出不同相狀的金屬納米結(jié)構(gòu)[8]，以及陣列的納米孔[9-10]、 條紋[11]、 微圓盤[12]、 靶心[13]等結(jié)構(gòu)，并分析研究使之與入射波長(zhǎng)相匹配，力求提高多種探測(cè)器件的光譜吸收能力。

設(shè)計(jì)一種激發(fā)表面等離激元效應(yīng)的金屬光柵結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)等離子體共振波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高紅外微測(cè)輻射計(jì)工作波段內(nèi)的光譜吸收效率，揭示中心吸收波長(zhǎng)的調(diào)控規(guī)律。

1 機(jī)理與建模

紅外測(cè)輻射熱計(jì)的主體為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖1所示。入射輻射進(jìn)入到鈍化層中的光柵結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生表面等離子體諧振效應(yīng)，光波會(huì)在氮化硅表面?zhèn)鞑?，最終被微測(cè)輻射熱計(jì)吸收。器件底部的鍍金層將透射到底部的紅外輻射反射至微測(cè)輻射熱計(jì)內(nèi)部，促進(jìn)二次吸收。

圖1 微測(cè)輻射熱計(jì)的光柵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural schematic of the grating in microbolometer

對(duì)于金屬半導(dǎo)體的等離激元現(xiàn)象可用色散模型解釋[14]，其色散關(guān)系可表示為

(1)

其中，ε∞為高頻介電常數(shù)，ωn為等離子體共振頻率，ωc為衰減率，sm為振蕩強(qiáng)度，ωm為諧振頻率，Ψm為線寬，m為L(zhǎng)orentz 項(xiàng)的階數(shù)。

金屬材料采用金，其材料屬性來(lái)自文獻(xiàn)[15]；VO2的光學(xué)參數(shù)由文獻(xiàn)[19]給出，其中ε∞=3.95 eV，ωn=3.33 eV，ωc=0.66 eV，建模所用的Lorentz項(xiàng)參數(shù)見表1。

表1 Lorentz項(xiàng)參數(shù)Table 1 Parameter of Lorentz

2 結(jié)果與討論

考慮大氣窗口和氧化釩紅外微測(cè)輻射熱計(jì)的常用工作波段，利用有限差分法對(duì)8～14 μm紅外光譜吸收率進(jìn)行計(jì)算，模擬光柵結(jié)構(gòu)變化對(duì)其吸收效率的影響，研究光柵周期、 占空比、 光柵高度、 光柵位置等參數(shù)對(duì)光譜吸收率的調(diào)控規(guī)律。

2.1 光柵周期

如圖2(a)所示，隨著光柵周期由2 μm逐漸增加到5 μm，吸收峰的峰值波長(zhǎng)發(fā)生了明顯的紅移現(xiàn)象，且吸收峰的高度也發(fā)生了較明顯的變化，整體呈下降趨勢(shì)，但周期為3 μm時(shí)的吸收峰略高于周期為2 μm的情況。

如圖2(b)所示，當(dāng)光柵周期由2 μm增加至3 μm時(shí)，吸收率最大值從0.95升高至0.98，隨著周期的繼續(xù)增加，最大值則開始逐漸降低到0.88左右。而吸收率的峰值波長(zhǎng)隨著周期的增加而呈現(xiàn)線性的增加趨勢(shì)。

圖2 (a)光柵周期對(duì)光譜吸收率的影響；(b)光柵周期對(duì)吸收峰的影響Fig.2 (a) Effect of the grating period on the spectral absorbance；(b) Effect of the grating period on the absorbance peak

2.2 光柵占空比

光柵占空比對(duì)于紅外吸收的影響如圖3(a)所示，從中可以看出，占空比對(duì)于紅外吸收的作用與周期的效果相反。隨著光柵占空比從0.2逐漸增加到0.5，紅外吸收峰逐漸向短波長(zhǎng)移動(dòng)，吸收峰的高度也逐漸增高，但是寬度也略微變窄。

圖3 (a)光柵占空比對(duì)光譜吸收率的影響；(b)光柵占空比對(duì)吸收峰的影響Fig.3 (a) Effect of the grating duty cycle on the spectral absorbance；(b) Effect of the grating duty cycle on the absorbance peak

如圖3(b)所示，隨著占空比的增加，吸收峰的波長(zhǎng)呈現(xiàn)線性減小，由13 μm藍(lán)移至11.2 μm左右。吸收峰的峰值則由0.82逐漸提高至0.94左右。分析原因可知，對(duì)于金屬光柵來(lái)說(shuō)，占空比大意味著金屬表面積大，光柵縫隙變窄，因此對(duì)應(yīng)的吸收峰波長(zhǎng)也會(huì)變化，使得波長(zhǎng)與等離激元相匹配。金屬面積增大，與半導(dǎo)體的接觸也會(huì)增大，因此等離激元促進(jìn)吸收作用增強(qiáng)，峰值提高。

2.3 光柵高度

光柵高度對(duì)于紅外吸收的影響如圖4(a)所示，隨著光柵高度的下降，其紅外吸收峰紅移，且寬度越來(lái)越大，證明光柵高度對(duì)器件的吸收效率影響明顯。

圖4 (a)光柵高度對(duì)光譜吸收率的影響； (b)光柵高度對(duì)吸收峰的影響Fig.4 (a) Effect of the grating height on the spectral absorbance；(b) Effect of the grating height on the absorbance peak

如圖4(b)所示，隨著光柵厚度的增加，對(duì)吸收峰的峰值影響不是很大，特別當(dāng)厚度增加到一定程度高，峰值基本保持不變。峰值波長(zhǎng)隨厚度增加出現(xiàn)不同程度的減小，當(dāng)厚度不足100 nm時(shí)，峰值波長(zhǎng)的變化程度較大，隨著厚度的繼續(xù)增加，峰值波長(zhǎng)下降趨勢(shì)變緩，基本維持在10.6 μm附近。

2.4 光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

綜合分析光柵各參數(shù)對(duì)紅外光譜吸收率的影響規(guī)律，得到優(yōu)化后的紅外微測(cè)輻射熱計(jì)光柵參數(shù)：光柵周期0.5 μm，金材料高度20 nm，光柵占空比0.4，位置位于鈍化層底部，與氧化釩層相接。如圖5所示，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的吸收峰寬度有所增加，波段內(nèi)的平均吸收率高達(dá)61.6%，起到了促進(jìn)紅外吸收的作用。

圖5 有無(wú)光柵結(jié)構(gòu)的光譜吸收率Fig.5 Spectral absorbance with and without grating

3 結(jié) 論

高性能的紅外輻射微測(cè)熱計(jì)對(duì)于航天、 航空及軍事領(lǐng)域均有著重大的意義，光譜吸收率是影響其性能的關(guān)鍵參數(shù)。本文基于表面等離激元效應(yīng)，通過(guò)理論建模和仿真計(jì)算，證明了金屬光柵結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)微測(cè)輻射熱計(jì)對(duì)紅外輻射的吸收作用，有效提高特定光譜內(nèi)的紅外吸收率。研究了光柵周期、 占空比、 高度以及位置對(duì)光譜吸收率的影響規(guī)律，通過(guò)對(duì)光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化，大幅提高氧化釩紅外微測(cè)輻射熱計(jì)的紅外光譜吸收率，8～14 μm的平均吸收率達(dá)61.6%，峰值吸收率在99%以上。金屬光柵的光譜吸收率促吸收結(jié)構(gòu)研究，對(duì)高性能紅外微測(cè)輻射熱計(jì)的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。