吳元慶,李崎嫚,劉春梅,王 婷

(渤海大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧 錦州 121013)

非制冷紅外熱傳感器是一種利用熱敏材料進(jìn)行紅外探測(cè)的器件,通過輻射吸收將紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)[1]。熱敏材料的電阻變化類型可以分為正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù),它以細(xì)微的溫度變化產(chǎn)生電阻值波動(dòng)為原理,在紅外探測(cè)中通過輸出信號(hào)的改變來進(jìn)行紅外信號(hào)的探測(cè)[2]。

近年來紅外技術(shù)發(fā)展迅速,尤其是在軍工領(lǐng)域,但是如何提高探測(cè)器對(duì)紅外輻射的吸收能力,仍舊是研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)[3]?；诘入x激元的超材料技術(shù)被用于提高紅外探測(cè)器的紅外吸收能力,可以有效提高紅外探測(cè)精度和紅外隱身能力。Chang 等[4]通過二維金屬孔陣列超材料結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)InAs 量子阱紅外探測(cè)器效率的提高,通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù),實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的共振波長(zhǎng)達(dá)到約9 μm,從而使探測(cè)器的紅外吸收能力大幅提高,約為原來吸收率的1.3 倍。Zhang 等[5]設(shè)計(jì)了一種用于紅外窄帶吸收的完美吸收器,采用兩對(duì)金屬-介質(zhì)超材料疊層技術(shù),通過間隔層材料的特性形成不同的能量耗散機(jī)制,從而形成兩個(gè)吸收率大于98%的高吸收峰結(jié)構(gòu),可以用于材料和器件的紅外吸收效率提高。但是上述結(jié)構(gòu)均為三維結(jié)構(gòu),制作工藝復(fù)雜,對(duì)于器件加工來說,難度較大,不利于批量生產(chǎn)。且上述結(jié)構(gòu)對(duì)器件的調(diào)整過大,對(duì)于非制冷紅外探測(cè)器的熱分布具有較大影響,不利于其穩(wěn)定工作。

為了進(jìn)一步提高非制冷紅外探測(cè)器的吸收效率,降低器件加工難度,本文設(shè)計(jì)了一種基于等離激元超表面結(jié)構(gòu)的紅外探測(cè)器,利用多模式共振耦合的方式,提高探測(cè)器在其工作波長(zhǎng)的紅外吸收能力,通過參數(shù)的優(yōu)化,使得器件在3～5 μm 和8～14 μm 兩個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有更好的紅外吸收能力。

1 紅外吸收

1.1 紅外輻射吸收

對(duì)于紅外微測(cè)輻射熱計(jì)來說,評(píng)價(jià)其紅外吸收性能的好壞,主要在于其吸收效率和吸收帶寬等參數(shù)[6]。如何提高其吸收效率,擴(kuò)展其吸收帶寬,是所有促吸收結(jié)構(gòu)的首要目的。

由光和物體的作用原理可知,物體對(duì)于光的吸收率A、反射率R和透射率T之間存在一定的關(guān)系,三者之和等于1,即A+R+T=1。當(dāng)傳感器發(fā)生入射光的吸收時(shí),可以通過下列條件的滿足來實(shí)現(xiàn)紅外輻射的近完美吸收:

(1)空氣-傳感器界面反射率R最小;

(2)通過光耦合促吸收的原理實(shí)現(xiàn)光能的高轉(zhuǎn)化效率;

(3)將被吸收到的光能通過其他形式轉(zhuǎn)化,提高探測(cè)器吸收能力。

1.2 阻抗匹配

對(duì)于探測(cè)器的紅外吸收來說,首要條件在于空氣-傳感器界面的抗反射能力,介電常數(shù)ε 和磁導(dǎo)率μ是影響材料吸收率的關(guān)鍵因素,最大程度上減小器件與空氣之間的阻抗差,可以有效提高器件紅外吸收能力[7]。由菲涅爾方程可知,當(dāng)器件表面粗糙度很低時(shí),其表面的反射率R可以表示為:

式中:Z表示器件的阻抗,阻抗的大小由介電常數(shù)與磁導(dǎo)率比值的平方根決定;Zc和Z0分別表示傳感器的阻抗和空氣的阻抗。

由式(1)可知,當(dāng)傳感器的阻抗與空氣阻抗相等時(shí),反射率可以達(dá)到最小。由于傳感器襯底材料具有高阻抗特性,所以很難通過低阻抗表面材料實(shí)現(xiàn)器件阻抗的降低。但通過表面微結(jié)構(gòu)的處理來降低器件阻抗是可行的,利用共振超表面等離激元結(jié)構(gòu)能夠有效降低器件表面電阻,提高紅外吸收性能。

1.3 耦合促吸收

光學(xué)耦合促吸收可以通過光路諧振,實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)共振吸收。多個(gè)諧振腔的組合能夠有效實(shí)現(xiàn)帶寬增強(qiáng),并適當(dāng)消除材料自身的阻抗特性[8]。

將光子能量通過光學(xué)諧振腔進(jìn)行控制,將其限制在紅外傳感器的吸收層介質(zhì)中以提高吸收效率。等離激元共振是一種使金屬表面電子橫向傳播的機(jī)制,能夠有效提高光子能量的吸收效率。

利用金屬-介電材料-金屬(MDM)結(jié)構(gòu)能夠有效實(shí)現(xiàn)窄帶光吸收,設(shè)定介質(zhì)材料的厚度為共振波長(zhǎng)的1/4,兩端金屬材料實(shí)現(xiàn)光能量相消干涉,從而降低器件表面發(fā)射率。

多層結(jié)構(gòu)堆疊以及材料表面圖形處理,能夠有效實(shí)現(xiàn)光能束縛,進(jìn)一步提高傳感器的吸收帶寬。

1.4 能量轉(zhuǎn)化吸收

將紅外光的光子能量轉(zhuǎn)化為熱能量,是一種促進(jìn)吸收的方式,也是紅外微測(cè)輻射熱計(jì)的工作原理[9]。

由基爾霍夫定律可知,物體吸收的熱量與其平衡時(shí)發(fā)射的能量相同,從而可以通過優(yōu)化傳感器的散熱能力來提高其紅外光吸收能力。利用自然損耗材料作為傳感器的吸收介質(zhì),可以在增強(qiáng)紅外吸收的同時(shí),有效擴(kuò)展器件工作帶寬,對(duì)于紅外探測(cè)器的吸收機(jī)制,改善其性能具有重要的意義。

1.5 等離激元超材料

表面等離極化激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是一種使用入射光子與導(dǎo)體表面電荷耦合振蕩的方式,令入射光子沿著電介質(zhì)和金屬的交界面進(jìn)行傳播,最終使得光子在電介質(zhì)和金屬界面的垂直方向上受到約束從而衰減的電磁模式[10]。

基于麥克斯韋方程組,可以進(jìn)一步探求表面等離激元的響應(yīng)模式和物理特性,對(duì)SPPs 的空間分布和色散關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步推算,可知:

對(duì)等離子場(chǎng)的傳輸模型進(jìn)行假設(shè):假定表面等離激元的模式被約束在X-Z平面,且在笛卡爾坐標(biāo)系的X方向上傳輸,當(dāng)交互電場(chǎng)E以E=E(y,z) eiβx的形式存在,磁感應(yīng)強(qiáng)度B以B=B(y,z) eiβx的形式存在,這兩式中β代表場(chǎng)的傳輸波矢。

等離激元超材料是由一系列亞波長(zhǎng)的人工結(jié)構(gòu)有序排列而成,可以通過有效介質(zhì)理論進(jìn)行阻抗設(shè)計(jì),利用有效介電常數(shù)εeff及有效磁導(dǎo)率μeff來實(shí)現(xiàn)阻抗控制。

利用S參數(shù)反演法,進(jìn)一步推導(dǎo)出器件的εeff和μeff,傳感器結(jié)構(gòu)的反射率R可以通過端口1 的反射系數(shù)S11表示,而透射率T可以通過端口2 的透射系數(shù)S21來表示。

對(duì)于有一定厚度的材料,其等效阻抗的表示式為:

由于器件的折射率實(shí)部與虛部均不小于0,可以推導(dǎo)出材料的折射率,表示式為:

式中:k0為真空波矢量;d為傳感器厚度。對(duì)于一般介質(zhì)材料,尤其是非磁性材料,其磁導(dǎo)率約為1,從而可以通過調(diào)整有效表面介電常數(shù)與空氣接近,實(shí)現(xiàn)材料阻抗匹配。

由Maxwell-Garnett 模型知,可以將空氣與傳感器介電常數(shù)之間的關(guān)系描述為:

式中:fa是整個(gè)結(jié)構(gòu)的等效空氣體積分?jǐn)?shù);εc為傳感器介電常數(shù);εa為空氣介電常數(shù)。等效介電常數(shù)εeff的取值范圍,介于空氣和傳感器的介電常數(shù)之間,可以通過提高結(jié)構(gòu)中空氣介質(zhì)的含量來降低傳感器的反射率。

利用調(diào)控超表面光柵可以生成等離激元,促進(jìn)光子吸收的同時(shí)有效改變器件的折射率[11]。通過光子在電介質(zhì)材料的單元結(jié)構(gòu)中傳播過程的相位積累來實(shí)現(xiàn)調(diào)控色散的目的,為了改變相位的積累程度,需要適當(dāng)調(diào)整單元結(jié)構(gòu)中的占空比。相位的變化可以表示為:

式中:Δφ代表變化的相位;λ代表入射波長(zhǎng);nM為最大折射率;nm為最小折射率;d代表光柵結(jié)構(gòu)的高度。

圖1 光吸收過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of light absorption process

2 光學(xué)仿真參數(shù)

2.1 模型構(gòu)建

設(shè)計(jì)的非制冷紅外探測(cè)器是基于光柵結(jié)構(gòu)的紅外微測(cè)輻射熱計(jì),結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 紅外傳感器剖面圖Fig.2 Sectional view of infrared sensor

對(duì)于紅外傳感器,其初始結(jié)構(gòu)自上而下分別為光柵、氮化硅、VOx、氮化硅和金屬層[12]。

光柵結(jié)構(gòu)置于探測(cè)器表面,降低結(jié)構(gòu)制作難度。器件的光路介質(zhì)層,由兩層氮化硅夾一層VOx吸收層構(gòu)成。整個(gè)介質(zhì)結(jié)構(gòu)置于金屬光柵和金屬反射層之間,形成光路耦合,用于促進(jìn)光子吸收。底層金屬厚度高于趨膚深度,從而有效避免光輻射的底部透射,實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的二次反射,提高光學(xué)吸收能力。

對(duì)于紅外非制冷熱傳感器的結(jié)構(gòu),參考其實(shí)際工藝,模型初始參數(shù)設(shè)置為:光柵周期5 μm,銀材料光柵占空比為0.5,初始光柵厚度100 nm,Si3N4表面鈍化層的厚度為200 nm,VOx層材料厚度200 nm,Si3N4支撐層厚度300 nm,底部為銀材料反射層300 nm[12]。

2.2 參數(shù)設(shè)定

大多數(shù)情況下,表面等離子體振動(dòng)發(fā)生在金屬及介質(zhì)的界面處。然而金屬氧化物也擁有同樣的效用。這種金屬氧化物的SPR 效應(yīng)即Surface Plasmon Resonance 效應(yīng)可用Drude-Lorentz 的色散模型解釋。在本文敘述中,對(duì)于敏感材料VOx,它的表面等離子體色散關(guān)系可以用下面的公式來描述:

式中:ε∞表示高頻介電常數(shù);ωn表示等離子體共振頻率;ωc表示衰減率;sm表示振蕩強(qiáng)度;ωm表示諧振頻率;Гm表示線寬;m表示Lorentz 項(xiàng)的階數(shù)。

本文采用有限差分法,仿真新的具有光柵式探測(cè)器結(jié)構(gòu)的光學(xué)吸收效果,通過參數(shù)改變實(shí)現(xiàn)傳感器效率變化,最終實(shí)現(xiàn)探測(cè)器效率最大的目的[13]。

器件的結(jié)構(gòu)呈周期性循環(huán)排列,所以本次只分析一個(gè)周期的結(jié)構(gòu)來推知整體。選擇金屬銀作為光柵材料,它的光學(xué)參數(shù)來自于文獻(xiàn)[14];另一個(gè)材料VOx的參數(shù)中,ε∞=5.423 kHz,ωn=4.572 kHz,ωc=0.906 kHz,Lorentz 參數(shù)來自于文獻(xiàn)[15]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

由于S 偏振光無法在二維模型結(jié)構(gòu)中生成SPP波,因此默認(rèn)本文模型入射光為垂直器件表面入射,偏振方向平行于傳感器器件的入射面,主要為P 偏振光。仿真過程設(shè)置入射紅外光的波段為2～20 μm,綜合考慮大氣窗口的存在,最終優(yōu)化的結(jié)果主要考慮3～5 μm 和8～14 μm 兩個(gè)紅外波段。

由于其他參數(shù)對(duì)于紅外吸收的影響較小,本次仿真過程重點(diǎn)考慮了不含光柵結(jié)構(gòu)時(shí)VOx吸收層對(duì)于紅外光吸收效率的影響。而增加光柵結(jié)構(gòu)后,重點(diǎn)考慮光柵參數(shù)對(duì)于紅外波段光線的吸收能力,獲取最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3.1 無光柵時(shí)VOx厚度的影響

作為紅外非制冷熱傳感器的核心,VOx材料的厚度會(huì)嚴(yán)重影響器件的紅外吸收率,其結(jié)果如圖3所示。

圖3 無光柵結(jié)構(gòu)時(shí)VOx厚度對(duì)吸收率的影響Fig.3 Effect of VOx thickness on absorption efficiency without grating

由圖3 可以看到,對(duì)于特定VOx厚度的吸收率曲線,在2～20 μm 波長(zhǎng)范圍內(nèi),只存在兩個(gè)吸收峰,而隨著VOx材料厚度的增加,吸收峰的位置均發(fā)生了紅移,但曲線形狀變化不明顯。對(duì)于本文所要的大氣窗口紅外吸收波段,可以考慮通過改變VOx厚度,來使吸收峰位置調(diào)制于3～5 μm 和8～14 μm 位置。

3.2 光柵參數(shù)對(duì)吸收效率的影響

對(duì)模型增加銀材料光柵后,整個(gè)傳感器的紅外吸收波形發(fā)生了明顯變化,吸收峰也由原先的2 個(gè)變成4 個(gè),主要是由于光柵的引入,在器件內(nèi)部形成兩個(gè)等效金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu),從而由于光波諧振產(chǎn)生了對(duì)應(yīng)的兩個(gè)吸收峰。

(1)光柵厚度的影響

為了分析光柵參數(shù)的影響,改變模型的光柵厚度,分別考慮光柵厚度在0.01～0.1 μm 范圍內(nèi)變化的情況下,吸收效率的變化情況,結(jié)果如圖4 所示。

由圖4 可以看到,隨著光柵厚度的縮小,器件的紅外吸收呈現(xiàn)一定的紅移現(xiàn)象,最右側(cè)的吸收峰逐漸下降,而第三吸收峰的吸收率卻呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。而對(duì)于3～4 μm 的波長(zhǎng)范圍,吸收率增加較為明顯。

圖4 光柵厚度對(duì)吸收率的影響Fig.4 Effect of grating thickness on absorption efficiency

(2)光柵周期的影響

改變光柵模型的周期,分別考慮光柵周期在1～7 μm 范圍變化的情況下,吸收率的變化情況,結(jié)果如圖5 所示。

圖5 光柵周期對(duì)吸收率的影響Fig.5 Effect of grating cycle on absorption efficiency

由圖5 可以看到,光柵周期的變化會(huì)嚴(yán)重影響器件的紅外吸收。隨著光柵周期的增大,紅外吸收的趨勢(shì)依然是呈現(xiàn)紅移的狀態(tài),第四吸收峰的高度也逐漸降低,但在第三吸收峰位置出現(xiàn)了新的吸收峰。

(3)占空比的影響

改變光柵的占空比,分別考慮占空比在0.1～0.9范圍變化的情況下,吸收率的變化情況,結(jié)果如圖6所示。

圖6 為光柵的占空比對(duì)吸收率的影響,隨著光柵占空比的增大,吸收峰位置逐漸左移,吸收峰最大值的位置在占空比為0.5 左右時(shí),在波長(zhǎng)4 μm 處,吸收率接近100%。

圖6 光柵的占空比對(duì)吸收率的影響Fig.6 Effect of duty ratio of grating on absorption efficiency

(4)光柵位置的影響

改變模型中光柵的位置,從而在模型中改變諧振腔的厚度,從而對(duì)應(yīng)的吸收峰位置也會(huì)發(fā)生變化,結(jié)果如圖7 所示。

圖7 光柵位置對(duì)吸收率的影響Fig.7 Effect of grating ordinate on absorption efficiency

圖7 中y=0 的位置為模型光柵置于金屬反射層的頂部,隨著y值的增大,光柵逐漸上移,y=0.2 時(shí),光柵底部位于吸收層下表面處,y=0.4 時(shí),光柵底部位于鈍化層下表面處,以此類推。隨著光柵位置的下移,整個(gè)模型的吸收波形逐漸紅移,且紅移過程同樣伴隨吸收峰的下降。

3.3 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)前文分析結(jié)果可知,光柵各參數(shù)可以有效改變傳感器的紅外吸收情況,而VOx的厚度能夠改變吸收峰的位置。

考慮大氣窗口的存在,在波長(zhǎng)3～5 μm 范圍內(nèi),吸收率最大的情況如圖8 所示。

由圖8 中結(jié)果可以看到,相比不含光柵時(shí)的曲線,優(yōu)化后的模型曲線存在明顯變化,優(yōu)化后的模型存在兩個(gè)吸收峰,而不含光柵的模型只有一個(gè)略低的吸收峰存在。

圖8 波長(zhǎng)3～5 μm 時(shí)的優(yōu)化模型曲線圖Fig.8 Absorption curves of optimized model when the wavelength is 3-5 μm

優(yōu)化后的模型參數(shù)為:光柵位于VOx吸收層內(nèi),下表面距離鈍化層底部約100 nm,光柵周期為3 μm,占空比0.5,光柵厚度15 nm。

在波長(zhǎng)4 μm 時(shí),吸收率接近100%,此時(shí)的電場(chǎng)分布情況如圖9 所示。

圖9 波長(zhǎng)4 μm 時(shí)優(yōu)化后模型的電場(chǎng)分布圖Fig.9 Electric field distribution diagram of optimized model when the wavelength is 4 μm

在8～14 μm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)的優(yōu)化結(jié)果如圖10 所示。

圖10 波長(zhǎng)8～14 μm 的優(yōu)化模型曲線Fig.10 Absorption curves of optimized model when the wavelength is 8-14 μm

此時(shí),含有光柵結(jié)構(gòu)與不含光柵結(jié)構(gòu)的模型相差更為明顯,無光柵結(jié)構(gòu)的吸收效率低于20%,而本文優(yōu)化后結(jié)果在該波段內(nèi)存在三個(gè)吸收峰,這三個(gè)吸收峰均為模型調(diào)制的結(jié)果。

改進(jìn)后的模型參數(shù)為:光柵底表面位于VOx吸收層的底表面處,距離反射層頂?shù)目v向距離約為400 nm,光柵周期8 μm,占空比0.8,光柵厚度10 nm。

在波長(zhǎng)為10 μm 時(shí),模型中的電場(chǎng)分布情況如圖11 所示。

圖11 波長(zhǎng)為10 μm 時(shí)優(yōu)化后模型的電場(chǎng)分布圖Fig.11 Electric field distribution diagram of optimized model when the wavelength is 10 μm

4 結(jié)論

本文研究了一種基于表面等離激元超材料的紅外非制冷熱傳感器結(jié)構(gòu),通過銀材料光柵的增加,有效提高模型對(duì)于紅外光的吸收能力,并通過光柵參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整,使得模型在大氣窗口3～5 μm 和8～14 μm波長(zhǎng)范圍內(nèi),具有最大的紅外吸收率,通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,本文改進(jìn)后的模型大幅提高了紅外吸收率。同時(shí)由于二維結(jié)構(gòu)的制作相比三維結(jié)構(gòu)難度更低,更有利于結(jié)構(gòu)的市場(chǎng)化,為紅外非制冷傳感器的發(fā)展提供一個(gè)思路。該結(jié)構(gòu)使紅外探測(cè)器在中紅外波段和遠(yuǎn)紅外波段具有較好的吸收效果,其結(jié)構(gòu)有潛力應(yīng)用于紅外表面隱身、紅外熱輻射測(cè)量以及其他能量收集領(lǐng)域。