鋁納米陣列深紫外至藍光區透射特性的調控

胡錦蓮++王祥東

摘 要：金屬納米結構具有表面等離激元（Surface Plasmon，SP），與光相互作用下會產生特殊的光學特性，在光學透射增強和光電信息增強等方面有重大的應用價值。該文采用時域有限差分法（Finite-Difference Time-Domain，FDTD）對鋁周期性納米矩形孔洞陣列結構的表面等離激元特性進行研究。結果表明，當偏振光入射時，通過改變矩形納米孔洞間金屬實體的尺寸縱橫比，可以實現透射峰在深紫外至藍光區的調控。

關鍵詞：表面等離激元 鋁周期性納米結構 透射增強 深紫外

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

表面等離激元實質上由被束縛于金屬表面的光波與金屬表面的自由電子發生共振耦合作用形成，它使得結構邊緣處的局域電場得到極大的增強。這種特性在光電探測[1]、光學濾波器[2]、生化分析和環境檢測等光信息增強領域都有著十分重要的潛在應用價值。

目前關于SP的研究主要集中在可見至紅外光區，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，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展日趨成熟，而紫外光區的光信息技術展現獨特的優勢。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域應用中，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，從而影響金屬周期性孔洞陣列結構的光學透射特性，但大多數情形下，往往是觀察到可見/紅外波段LSP調控共振波長，卻沒有進一步優化。因此，筆者設計了一種鋁周期性矩形納米孔陣列結構，通過改變結構單元的尺寸研究其在紫外至藍光區對光學透射特性的調控。

1 計算模型設置

使用時域有限差分法（Finite-Difference Time-Domain，FDTD）計算模擬成三角對稱的鋁矩形孔洞陣列的透射光譜，模型結構和尺寸示意圖如圖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，鋁膜內為矩形孔洞陣列，孔洞中介質為空氣。兩個相鄰的孔洞中心距離是P，也是該結構的周期，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體長度分別為（P-Lx）和Ly。計算過程中，模擬時間為1 000 fs，光源是平面波（plane wave）。電場偏振方向沿X軸方向，模擬區域在X、Y方向上設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），為滿足計算精度以及提高運算速度，計算網格精度設定為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構總面積的比值。一般來說，由于金屬表面等離激元的貢獻，小孔的透過率可以大于占空比。

2 結果與討論

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構透射特性的影響。首先對矩形孔洞Lx和Ly都為106.4 nm的結構進行模擬計算，得到的透射譜如圖1B所示。可以明顯看出透射譜中有兩個共振峰，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構的透射峰模式，分別計算了峰位在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，矩形納米孔洞結構在孔洞口處可得到強局域場，這表明引起局域電場增強是由納米結構上下表面所處的環境介質和金屬結構共同作用的。從上插圖明顯看出，電場增強因子最大處是上表面孔洞口處，說明激發波長在250 nm處的透射增強是金屬上表面和空氣界面被入射光激發表面等離激元，引起局域電場增強，稱air（1，0）模式；同理從下插圖明顯看出，電場增強因子最大處是下表面孔洞口處，說明激發波長在346 nm處的透射增強是金屬下表面和襯底界面被入射光激發表面等離激元，引起局域電場增強，稱SiO2（1，0）模式。電場最強處位于洞口處，使得待探測分子很容易處于孔洞結構附近的強局域場環境中，這對光電信息增強的應用是非常有利的，同時對開發紫外光區的多通道光電納米器件有重要價值。

保持孔洞面積不變，規律性地改變矩形孔洞的Lx和Ly，然后分別進行計算，透射譜如圖2（A）所示。從圖2（A）可以看出，隨著沿Y軸方向寬度增加，SiO2（1，0）模式峰位強度也隨之增強，當Ly=150.4 nm時增透效果最好，透過率是占空比的2倍。而air（1，0）模式峰位隨著Ly增大，強度先增大后減小，當Ly=127 nm時增透效果最好，透過率是占空比的1.37倍。

根據圖2（A），做出兩種模式透射峰位隨比值變化的關系圖，如圖2B所示。從圖2B可以看出，隨著矩形孔洞間金屬實體的X和Y方向長度比值增加，SiO2（1，0）模式和air（1，0）模式共振峰位發生紅移，在紫外至藍光區可調。當矩形孔洞面積不變，Lx減小，Ly會增大，則金屬實體部分（如區域a或b等，虛線所示）沿X軸方向的尺寸比例則增大。這種現象產生的物理機制是當入射光偏振方向平行X軸，金屬實體沿著X方向的尺寸比例增加時，電荷極化的改變導致表面等離激元的峰位紅移[4]，如圖2（B）中插圖所示。同時，兩個金屬實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）模式共振峰位調控能力更大。

3 結語

采用FDTD方法對鋁周期性矩形納米孔洞陣列結構的透射特性進行了研究。結果表明，通過改變結構孔洞的邊長，能有效在深紫外之藍光區調控透射特性，這主要由于納米孔間金屬實體的表面等離激元受其在兩個方向上的尺寸控制。該文中得到的雙波段增透結構，可以應用在深紫外藍光區的光學濾波、顏色合成、圖像顯示、光學檢測傳感、光學通信、光學存儲和其他光電信息增強領域。

參考文獻

[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.