基于PDMS薄膜的等離子體光柵仿真分析

陳壯壯，王志斌，李克武，吳笑男

（中北大學 理學院 山西省光電信息與儀器工程技術研究中心，山西 太原 030051）

引言

光柵（grating）屬于應用廣泛的光學元件，在光學傳感、集成光路、光信息處理、光通信等光學應用領域都呈現(xiàn)了舉足輕重的作用。目前，該元件主要運用在納米級別。國內(nèi)外對于新型的光學元件納米級光柵在生物傳感、光子晶體[1-3]等多領域都有深入的研究和探討。

在柔性器件領域，柔性電子設備主要有兩類，其中有機半導體[4-6]占比最高。而在制備其他的柔性元件時，則主要依托聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）[7]等一些具有良好可拉伸性能的材料，以及其他具有延展性的結構類體系材料。PDMS 薄膜不僅拉伸性能良好，且具有親膚性和無毒性。因此，PDMS薄膜作為柔性材料的代表受到了大家的青睞，被廣泛應用在柔性電子設備和可穿戴設備[8]之中。在這些應用中，作為柔性支撐材料是PDMS 薄膜本身最常見的作用。

本文選用時域有限差分（finite difference time domain，F(xiàn)DTD）法，通過相關仿真軟件FDTD Solutions，建立一種以PDMS 薄膜為基板的具有周期邊界條件的二維金屬等離子體光柵仿真結構。通過對光柵施加應力，改變PDMS 薄膜等離子體光柵的參數(shù)（即周期、占空比及Au 膜厚度），并對其進行設計仿真和理論計算。通過對其共振波長特性的探究，本文提出了對應力最為敏感的等離子體光柵結構。最后將仿真結果與理論數(shù)值做對比，并計算出相對誤差的大小。

1 基本原理

1.1 等離子體光柵理論模型

等離子體作為一種比較特殊的物質(zhì)狀態(tài)，是由高密度且呈均等分布狀態(tài)的兩種帶電自由粒子所構成的[9]，它本身不會產(chǎn)生空間電荷，對外也不顯電性。……