金屬-電介質(zhì)-金屬微納結(jié)構(gòu)吸收與透射增強(qiáng)研究.pdf

1、近年來，光與物質(zhì)的相互作用在微納尺度的前提條件下的規(guī)律及其在光的傳輸、調(diào)控、探測等方面的應(yīng)用受到越來越多的重視。通常，普通電介質(zhì)材料的光學(xué)損耗低，能夠透過大部分光波段的光。但是與此同時(shí)也意味著其對光場的約束能力較差。而金屬材料恰恰相反，它能把入射光場的能量轉(zhuǎn)化為自由電子的集群震蕩——即表面等離激元，并使這種震蕩模式能夠在其表面進(jìn)行傳輸。然而其極高的光學(xué)損耗引起的信號衰減和熱量產(chǎn)生，又使得金屬材料在某些應(yīng)用中飽受非議。將這兩種材料適當(dāng)?shù)慕Y(jié)

2、合在一起實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)光學(xué)特性的調(diào)控成為各種功能性微納光子器件共同面對的關(guān)鍵問題。
　　本文從電磁諧振增強(qiáng)金屬-電介質(zhì)-金屬微納結(jié)構(gòu)光學(xué)特性入手，主要設(shè)計(jì)寬帶吸收和增透微納光學(xué)器件。使用仿真設(shè)計(jì)軟件COMSOL Multiphysics以及FDTD，并使用聚焦離子束刻蝕技術(shù)和電子束曝光技術(shù)制備仿真的器件，最終使用傅里葉光譜分析儀和自搭光路檢測器件的透反射特性。理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，仿真指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果。
　　寬帶吸收器方

3、面我們首先使用折射率較高的鎢材料，結(jié)合鎢的本征損耗，使得在可見和近紅外波長范圍內(nèi)的入射光局限在結(jié)構(gòu)內(nèi)部并被材料吸收轉(zhuǎn)化為熱損耗。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果能夠相互吻合，平均吸收率在400 nm-1700 nm之間高達(dá)80％。器件本身結(jié)構(gòu)單一容易制備，并且整個器件厚度僅有215nm。此外它還是一個良好的耐高溫器件。在此吸收器的仿真過程中使用金、銀、鈦和鎳材料代替鎢，比較了這種材料對吸收特性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在低折射率材料中，盡管電場強(qiáng)度高于高折

4、射率材料中的場強(qiáng)，但是高折射率材料的吸收帶寬比低折射率材料的帶寬寬。我們認(rèn)為折射率的高低在吸收器帶寬這種特性中起了決定性作用。
　　除了這種吸收特性穩(wěn)定的器件，我們還設(shè)計(jì)了一種基于溫度相變VO2材料而設(shè)計(jì)的可變吸收器，這種吸收器的強(qiáng)吸收特性僅在85℃——VO2相變?yōu)榻饘倭喜臅r(shí)出現(xiàn)，隨著溫度的下降，吸收特性逐漸消失。
　　在諧振增強(qiáng)金屬透射方面，我們?nèi)匀皇褂媒饘?電介質(zhì)-金屬微納結(jié)構(gòu)，在可見波段和近紅外波段實(shí)現(xiàn)了一種對偏振敏感

5、并且具有廣角工作特性的增透器件。此器件是針對要求有導(dǎo)電特性的應(yīng)用方向而設(shè)計(jì)，器件的內(nèi)部含有無縫的連續(xù)金屬薄膜。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠獲得在近紅外(930 nm)40％以上的吸收。與單層金膜和連續(xù)的金屬-電介質(zhì)-金屬層狀結(jié)構(gòu)相比分別實(shí)現(xiàn)了2倍和8倍以上的透過率增強(qiáng)。
　　總體而言，針對微納光子器件在熱輻射、光學(xué)濾波、光傳感、太陽能利用等領(lǐng)域的應(yīng)用前景，本文提出并實(shí)現(xiàn)的電磁諧振增強(qiáng)微納結(jié)構(gòu)光學(xué)吸收或透射特性，能夠?qū)⒔饘俨牧?/p>