鋁多層孔洞陣列的光透過特性研究

高創(chuàng) 王祥東 胡錦蓮

摘 要：鋁納米結(jié)構(gòu)具有表面等離激元（Surface Plasmon， SP）特性，其從深紫外到紅外區(qū)的范圍可控，在光電信息和能源方面具有重要的應用價值。本文利用SP和法布里-珀羅（Fabry–Pérot， F-P）共振，以鋁多層孔洞陣列為研究對象，使用時域有限差分法，計算研究鋁多層孔洞陣列的光學透過特性。結(jié)果表明，這種多層孔洞結(jié)構(gòu)陣列，除了兩個鋁SP共振峰，多出一個可調(diào)制的F-P共振峰。同時，隨著SiO2厚度增加，SP峰位變化不大，F(xiàn)-P峰位發(fā)生紅移。特別當SP峰和F-P峰重合時，透射峰強度較高。

關(guān)鍵詞：鋁? 表面等離激元? 法布里-珀羅共振 孔洞陣列

中圖分類號：U662? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）05（c）-0054-03

Study on light transmission characteristics of aluminum multilayer hole arrays

GAO Chuang? WANG Xiangdong? HU Jinlian*

（Anhui University of Technology， Ma'anshan， Anhui Province， 243032 China）

Abstract： Aluminum nanostructures have Surface Plasmon （SP） characteristics. Their range from deep ultraviolet to infrared is controllable. They have important application value in photoelectric information and energy. Using SP and Fabry- P é rot， F-P） resonance， taking aluminum multilayer hole array as the research object， the optical transmission characteristics of aluminum multilayer hole array are calculated and studied by using the finite difference time domain method. The results show that this multilayer hole structure array has one more modulated F-P resonance peak in addition to two aluminum SP resonance peaks. At the same time， with the increase of SiO2 thickness， the SP peak position changes little， and the F-P peak position redshifts. Especially when SP peak and F-P peak coincide， the transmission peak intensity is higher.

Key Words： Aluminum; Surface Plasmon; Fabry–Pérot resonance; Hole array

表面等離激元（Surface Plasmon， SP）指的是在特定情況下金屬表面帶負電的自由電子在入射光場的作用下產(chǎn)生共振，由于入射光激發(fā)使得金屬自由電子集體性地共振[1]，導致金屬納米結(jié)構(gòu)具備表面等離子激元這一獨特性質(zhì)，它在光譜調(diào)控和光信息增強等多領(lǐng)域有重大的應用價值[2-4]。隨著研究的進一步深入，亞波長狹縫、薄膜等都有相似的增透效應，這一現(xiàn)象更合理地解釋為法布里-珀羅（F-P）共振。根據(jù)F-P共振條件，結(jié)構(gòu)的厚度對F-P模式的共振波長具有強烈的影響作用[5]。

鋁納米結(jié)構(gòu)材料，其表面等離激元從深紫外到紅外區(qū)的范圍可控，在光電信息和能源方面具有重要的應用價值。鋁的表面容易生成致密的氧化物鈍化層，其深紫外到紅外范圍內(nèi)不會影響透光性質(zhì)。對于鋁圓形孔洞陣列結(jié)構(gòu)，時域有限差分法模擬結(jié)果[6]表明，主要存在兩個表面等離激元（Surface Plasmon， SP）共振峰。García-Vidal F J等[7]發(fā)現(xiàn)光增透效應可以由法布里-珀羅（Fabry–Pérot， F-P）共振引起。金屬鋁價格低廉，鋁的表面等離激元可以從深紫外到紅外進行大范圍調(diào)制[6]，因而具有重要應用價值。但是，以金屬鋁為研究對象，將這兩種機制結(jié)合起來還缺乏深入研究。本文以鋁多層孔洞陣列（Al hole-SiO2 hole-Al hole array）為研究對象，探討SiO2厚度對光學透射效應的影響規(guī)律。

1? 計算方法

使用時域有限差分法模擬成六角對稱的多層圓形孔洞陣列（Al hole-SiO2 hole-Al hole array）的透射光譜，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1（A）所示。在SiO2襯底上，兩層鋁膜之間夾一層SiO2，形成六角對稱的孔洞陣列結(jié)構(gòu)，鋁和空氣接觸的界面有一層2nm厚的氧化鋁層，孔洞中介質(zhì)為空氣。其中，P為兩個相鄰孔洞的中心距離，也是該結(jié)構(gòu)的周期，d是孔洞的直徑，H1和H2分別是鋁多層孔洞陣列頂部和底部的厚度，t是兩層鋁孔洞陣列之間的SiO2孔洞陣列的厚度。在模擬過程中，模擬時間為1000fs，入射方向沿Z方向（垂直于金屬表面），光源是平面波（plane wave）。電場偏振方向沿X軸，模擬時將入射光強度定為1。電場偏振方向沿X軸，模擬區(qū)域的邊界條件，在X和Y方向上設(shè)定為周期性（periodic）邊界條件，Z方向上設(shè)定為完美匹配層（PML）邊界條件，為滿足計算精度及提高運算速度，計算網(wǎng)格精度設(shè)定為dx=dy=dz=1nm。鋁、氧化鋁和SiO2的折射率取自Palik[8]主編的書。

2? 結(jié)果與討論

本文研究SiO2孔洞陣列的厚度變化對光學透射特性的影響（周期為200nm，鋁孔洞陣列的厚度H1和H2為25nm，孔徑d為120nm）。首先對SiO2的厚度t為120nm的結(jié)構(gòu)進行模擬計算，得到的透射譜如圖1（A）所示。可以明顯看出透射譜中有3個共振峰，波長位于450nm的透射峰是由F-P共振引起的，稱F-P模式[7]，波長位于226nm的透射峰是由入射光激發(fā)了上表面金屬和空氣界面的表面等離激元，稱air（1，0）模式，波長位于360nm的透射峰是由入射光激發(fā)了下表面金屬和SiO2襯底界面的表面等離激元，稱SiO2（1，0）模式[6]。

保持其他的情況不變，通過改變SiO2孔洞陣列的厚度，其厚度分別為50nm、90nm、120nm、150nm、180nm、210nm和240nm，得到的透射譜如圖1（B）和（C）所示，圖1（B）是SiO2厚度從0變化到120nm的透射譜，圖1（C）是SiO2厚度從150nm變化到240nm的透射譜。根據(jù)圖1（B）和圖1（C）作出圖1（D），圖1（D）是F-P模式、SiO2（1，0）模式和air（1，0）模式下的透射峰位與SiO2孔洞陣列厚度變化的關(guān)系圖。

圖1多層孔洞陣列（Alhole-SiO2hole-Alholearray）結(jié)構(gòu)的光學特性（周期為200nm，孔洞直徑d為120nm，鋁孔洞陣列的厚度H1=H2=25nm）。圖1（A）SiO2厚度t為120nm的透射譜（插圖為鋁多層圓孔洞陣列的示意圖）;圖1（B）SiO2厚度t從0變化到120nm的透射譜;圖1（C）SiO2厚度t從150nm變化到240nm的透射譜;圖1（D）F-P模式、SiO2（1，0）模式和air（1，0）模式下的峰位與SiO2厚度變化的關(guān)系圖。

從圖1（D）中可以看出，在兩層金屬鋁孔洞陣列之間引入SiO2孔洞陣列后，透射光譜中明顯多產(chǎn)生了一個峰，并且這個特定的透射峰隨著SiO2厚度增加明顯呈線性紅移，透射峰的波長，波長紅移量相對SiO2厚度t的增量比值是定量，表明透射峰位置與SiO2的厚度呈線性關(guān)系，這與類F-P腔共振機制相吻合。入射光通過該陣列結(jié)構(gòu)時，該結(jié)構(gòu)中的孔洞類似于F-P腔結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生F-P共振現(xiàn)象。隨著SiO2厚度增加，SiO2（1，0）模式和air（1，0）模式的峰位幾乎不移動，從側(cè)面說明SiO2（1，0）模式和air（1，0）模式峰位是由SP模式共振機制占據(jù)主導作用，透射峰位主要由結(jié)構(gòu)的周期決定。

隨著兩層鋁孔洞陣列之間的SiO2孔洞陣列厚度的增加，F(xiàn)-P模式的峰位強度隨著中間層SiO2厚度增加，峰位強度先增加后降低，SiO2厚度為90nm時（見圖1（B）曲線c），透射強度較強。這是因為，此時SiO2（1，0）模式與F-P模式峰位耦合，導致峰位強度達到最強，隨著SiO2厚度的增加，由F-P模式形成的透射峰紅移，導致與SP模式的共振峰耦合減弱，峰位強度逐漸減低。SiO2（1，0）模式和air（1，0）模式的峰位強度隨SiO2厚度增加呈不規(guī)則變化。在某些SiO2厚度下，SiO2（1，0）模式和air（1，0）模式形成的共振峰強度到達極值，說明由表面等離激元引起的共振透射峰的峰位強度依賴于SiO2的厚度，表明類F-P共振機制對SiO2（1，0）模式和air（1，0）模式形成的共振峰強度也具有調(diào)節(jié)作用。

3? 結(jié)語

使用時域有限差分法計算鋁多層孔洞陣列，主要存在3個透射峰，即兩個鋁SP共振峰，一個可調(diào)制的F-P共振峰。隨著SiO2厚度增加，F(xiàn)-P峰位波長增加，SP峰位變化很小。調(diào)制SiO2厚度，可使SP峰和F-P峰重疊，此時透射峰達到極大值。該文中得到的鋁多層孔洞陣列構(gòu)，可以應用在在生化檢測、光學存儲和光電探測等光信息增強領(lǐng)域有著重要的應用價值。

參考文獻

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