一種色彩可調(diào)的Au-ZnO-Al納米結(jié)構(gòu)的仿真模擬

檀 珺

（安徽文達(dá)信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230000）

1 前言

近年來，三層金屬-氧化物-金屬（MIM）納米結(jié)構(gòu)被廣泛用于實(shí)現(xiàn)對光波長的完美吸收，通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)現(xiàn)對光波反射和吸收的有效控制，甚至得到完美吸收的一定頻率的光波[1-3]。所謂特定頻率的完美吸收即在一定光波段處的反射率為零。因此，MIM結(jié)構(gòu)可以用來制備結(jié)構(gòu)色。與傳統(tǒng)染料相比，結(jié)構(gòu)色由于其具有高分辨率、高信息存儲(chǔ)密度、高集成度、不褪色等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。結(jié)構(gòu)色的原理是由于某種微觀結(jié)構(gòu)的大小與光波長相匹配，有序排列使光的反射、透射、散射而產(chǎn)生顏色。這種結(jié)構(gòu)顏色是由周期性微觀結(jié)構(gòu)引起的。相較于化學(xué)色，結(jié)構(gòu)色有著穩(wěn)定而不褪色的優(yōu)點(diǎn)。在這些完美的光吸收結(jié)構(gòu)中，大部分結(jié)構(gòu)呈有圖案化的金屬結(jié)構(gòu)和沒有圖案化的薄膜結(jié)構(gòu)，如自然界中孔雀的羽毛，蝴蝶的翅色等都屬于天然的結(jié)構(gòu)色，這些天然的結(jié)構(gòu)色的形成大多數(shù)是因?yàn)槠浔旧淼奶厥庑晕⒂^結(jié)構(gòu)而引起的光學(xué)現(xiàn)象。

最近，研究人員報(bào)告了用于沉積在鋁表面上的單層硅薄膜的完美光吸收體和用于Al-Si-Al 納米結(jié)構(gòu)的完美光捕獲體[4-8]。在這里，我們從MIM 結(jié)構(gòu)開始，用FDTD 解決方案模擬了三層納米結(jié)構(gòu) Au-ZnO-Al 結(jié)構(gòu)在可見光范圍內(nèi)的反射率。反射光譜用于計(jì)算結(jié)構(gòu)表面顯示的顏色。反復(fù)模擬 Al-Si-Al 納米結(jié)構(gòu)的反射率，并與 Au-ZnO-Al 結(jié)構(gòu)的反射率進(jìn)行比較。研究發(fā)現(xiàn)，Au-ZnO-Al 結(jié)構(gòu)的反射光譜帶通寬度較窄，可應(yīng)用于窄帶帶通濾波器的制造。Au-ZnO-Al 納米結(jié)構(gòu)非常簡單，易于制造，對于濾光片和結(jié)構(gòu)彩色顯示的應(yīng)用具有很大的優(yōu)勢。

2 理論模型

本次研究的器件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，該結(jié)構(gòu)為三層金屬-氧化物-金屬（MIM）納米結(jié)構(gòu)，其中頂層金屬層為金（Au）層，中間氧化物層為低吸收系數(shù)的氧化鋅（ZnO）層，底層金屬層為鋁（Al）層，它們依次堆疊在玻璃（硅）基板上。底部鋁層應(yīng)足夠厚，以防止入射光穿透整個(gè)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要通過調(diào)整ZnO層厚度來改變?nèi)肷涔庾饔迷谡麄€(gè)結(jié)構(gòu)后的反射率光譜。用透射矩陣來計(jì)算結(jié)構(gòu)的反射率。這里指定i=0，1，2，3 代表空氣層、頂部金層、氧化鋅層和鋁層。θi表示光在介質(zhì)i 中的入射角，ni和ki表示介質(zhì)i 折射率的實(shí)部和虛部，φi表示光波在介質(zhì)i 中傳播的相位延遲。d1，d2，d3分別表示Au、ZnO 和Al 層的厚度。這里設(shè)置d1=28nm，d3=200nm 和d2的值分別為275nm、130nm、150nm 和170nm。

圖1 Au-ZnO-Al 結(jié)構(gòu)示意圖

反射率計(jì)算如下：

MIM 結(jié)構(gòu)允許在 TE 和 TM 偏振狀態(tài)下發(fā)生等離子共振，金屬表面自由電子分布均勻。當(dāng)光從光密電介質(zhì)入射到光疏金屬的界面時(shí)，金屬層中的自由電子被誘導(dǎo)產(chǎn)生沿電場方向的不均勻密度分布，產(chǎn)生表面等離子體并在金屬表面上傳播。當(dāng)光在介電層與金屬層的界面處發(fā)生全反射時(shí)，折射光是一種平面波，沿界面方向傳播，其幅度沿垂直于界面的方向呈指數(shù)衰減，這種電磁波稱為倏逝波。當(dāng)入射角或波長為合適值時(shí)，表面等離子體波和倏逝波的頻率和波矢相等，發(fā)生耦合。此時(shí)，一定波長的入射光被吸收，反射光的能量急劇下降。

3 仿真模擬和結(jié)果討論

本文模擬采用的軟件為Lumerical 公司的FDTD solutions 軟件。通過該軟件對理論模型建模，通過改變模型中的部分參數(shù)（中間介質(zhì)層ZnO 層的厚度）進(jìn)行仿真模擬，將得到的反射率光譜數(shù)據(jù)計(jì)算得到形成的結(jié)構(gòu)色，并通過CIE1931 標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)的理論知識(shí)分析形成不同顏色結(jié)構(gòu)色的原因。

在建立模型的過程中，將Au-ZnO-Al 納米結(jié)構(gòu)X、Y 方向設(shè)置無限大，Z 方向的厚度可以通過設(shè)置參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。硅基底的厚度需要設(shè)置得足夠厚，用來防止入射光穿透硅基底。保持Al 層的厚度為200 nm，頂層Au 的厚度為28nm，調(diào)節(jié)ZnO 的厚度分別為275nm、130nm、150nm 和170 nm 時(shí)分別對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬，得到反射率光譜圖，圖2 即為該納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)反射率光譜圖，y 軸對應(yīng)反射率，x 軸對應(yīng)光波長。紅色、青色、綠色、橙色曲線分別對應(yīng) ZnO 層厚度為275nm、130nm、150nm和170nm 結(jié)構(gòu)的反射率光譜曲線。

觀察圖2 可發(fā)現(xiàn)，紅色、青色、綠色、橙色曲線的波谷位置光波長分別為542nm、588nm、642nm 和695 nm，且反射率近零，即說明該結(jié)構(gòu)在ZnO 的厚度為275nm、130nm、150nm 和170 nm 時(shí)反射率光譜中獲得完美吸收的波長分別為542nm、588nm、642nm 和695 nm。

圖2 ZnO 層厚度分別為275nm、130nm、150nm 和170nm的MIM 結(jié)構(gòu)的計(jì)算光學(xué)反射率光譜

不發(fā)光的物體本身沒有顏色。物體受到各種波段光照射后，一部分光被物體吸收，另一部分被反射，每個(gè)物體吸收不同光的頻率及光量各不相同。如果從色度學(xué)的角度來解釋，物體所吸收的特定頻率的光量決定了人眼觀察到的物體的顏色[9]。由于納米結(jié)構(gòu)中ZnO 層厚度的變化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)對整個(gè)可見光波段中特定頻率的光進(jìn)行不同程度的吸收和反射，從而改變光譜的組成。因此，人眼觀察到結(jié)構(gòu)表面的顏色隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化而變化。這里使用 FDTD 來模擬納米結(jié)構(gòu)的反射光譜，將獲得的反射率光譜數(shù)據(jù)根據(jù)CIE1931-XYZ 系統(tǒng)計(jì)算得到其對應(yīng)的顏色。結(jié)果顯示對應(yīng)四種反射光譜的結(jié)構(gòu)表面顏色分別為深粉色、青色、綠色和黃色。

基于以前的研究人員已經(jīng)發(fā)表了Al-Si-Al 納米結(jié)構(gòu)的完美吸收體的近零反射率。重復(fù)Al-Si-Al 納米結(jié)構(gòu)的模擬，并與我們提出的Au-ZnO-Al 結(jié)構(gòu)的反射光譜進(jìn)行比較。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于室溫下ZnO 的帶隙為3.37 eV，Si 的帶隙為1.11 eV，因此ZnO 的吸收系數(shù)低于Si，Au-ZnO-Al 納米結(jié)構(gòu)的反射光譜的禁帶寬度比Al-Si-Al 納米結(jié)構(gòu)的反射光譜的禁帶寬度窄。因此，所提出的Au-ZnO-Al 納米結(jié)構(gòu)可以更好地實(shí)現(xiàn)需要窄禁帶寬度的應(yīng)用。為了研究光能在納米結(jié)構(gòu)中的耗散位置，通過FDTD 求解軟件計(jì)算了納米結(jié)構(gòu)中ZnO 的厚度為150nm 時(shí)X-Z 平面的電場分布，如圖3 所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)基底Si 層和底部Al 層的電場強(qiáng)度幾乎為零，電場主要分布在頂部Au 層和ZnO 層上。

圖3 ZnO 的厚度為150nm 的Au-ZnO-Al 納米結(jié)構(gòu)的X-Z 平面的電場分布圖

4 結(jié)論

綜上所述，由薄金膜和沉積在厚鋁膜上的高折射率氧化錫膜組成的簡單 Au-ZnO-Al 納米結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧完美吸收，在實(shí)現(xiàn)濾波器和制造中具有很好的應(yīng)用。固定金和鋁的厚度，改變氧化鋅的厚度范圍為130nm 到275nm，得到粉紅、青、綠、黃三種顏色。此外，通過對比Au-ZnO-Al 和Al-Si-Al 納米結(jié)構(gòu)具有完美吸收的反射光譜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Au-ZnO-Al 結(jié)構(gòu)的反射率光譜的帶通寬度非常窄，說明所提出的Au-ZnO-Al 納米結(jié)構(gòu)可以更好地實(shí)現(xiàn)需要窄帶通寬度的應(yīng)用。最后對ZnO 的厚度為150nm 的Au-ZnO-Al 納米結(jié)構(gòu)的電場分布進(jìn)行了仿真模擬，發(fā)現(xiàn)電場主要分布在金層和氧化鋅層，而鋁層幾乎沒有電場分布。此研究將有助于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)色和彩色濾光片。