等離激元銀金屬膜耦合氮化硅納米空腔在可見光-近紅外區間的多譜帶完美吸收和傳感性質的仿真研究

王家正, 劉 佳, 孫維鑫, 周劍章, 吳德印, 田中群

廈門大學化學化工學院化學系, 固體表面物理化學國家重點實驗室, 福建 廈門 361005

引 言

超構材料是由人造周期性結構單元組成的材料, 這些結構單元通常由金屬、 介電材料或二者同時構成, 其尺度通常接近或小于入射電磁波的波長[1-3]。 當入射光與這些亞波長的結構發生相互作用時, 近場光場的重新分布可能導致超構材料表現出新的光學現象, 如負折射率[4]和完美吸收等行為[5]。 具有完美吸收性質的超構材料因具有多種用途而受到關注。 寬譜帶完美吸收材料通常用于熱致發射[6]和光能收集[7-9], 窄譜帶完美吸收材料適合用于傳感檢測[2, 10-11]和陷波濾波[12]。 這些材料也可以用作表面增強拉曼光譜(SERS)基底[13-15], 提高SERS光譜增強效率, 實現高靈敏度的SERS檢測[16]。 同時, 超構材料的組成和幾何結構決定了其工作頻率, 通常其可能處于微波[17], 近紅外[18-19]和可見光[20]等區間內。

近來, 多種構型的完美吸收材料被提出, 包括全金屬納米結構[2, 21-23]、 金屬-電介質-金屬納米結構(metal-insulator-metal, MIM)的多層結構[11, 19, 24-25]、 以及金屬-電介質納米結構的雙層結構[26-27]等。 全金屬納米結構完美吸收材料的吸收通常來自于等離激元極化子(surface plasmon polariton, SPP)和等離激元磁模式的激發[23]。 MIM材料的吸收通常來自于電介質夾層中法布里-珀羅腔模式的激發和金屬納米結構中的局域等離激元(localized surface plasmon, LSP)模式[28-29], 而金屬-電介質納米結構利用高折射率的電介質將光耦合至金屬表面的LSP和SPP模式從而實現對光的有效吸收[26, 30]?！?br>