金屬-電介質-金屬微納結構吸收與透射增強研究.pdf

1、近年來，光與物質的相互作用在微納尺度的前提條件下的規(guī)律及其在光的傳輸、調控、探測等方面的應用受到越來越多的重視。通常，普通電介質材料的光學損耗低，能夠透過大部分光波段的光。但是與此同時也意味著其對光場的約束能力較差。而金屬材料恰恰相反，它能把入射光場的能量轉化為自由電子的集群震蕩——即表面等離激元，并使這種震蕩模式能夠在其表面進行傳輸。然而其極高的光學損耗引起的信號衰減和熱量產生，又使得金屬材料在某些應用中飽受非議。將這兩種材料適當?shù)慕Y

2、合在一起實現(xiàn)微納結構光學特性的調控成為各種功能性微納光子器件共同面對的關鍵問題。
　　本文從電磁諧振增強金屬-電介質-金屬微納結構光學特性入手，主要設計寬帶吸收和增透微納光學器件。使用仿真設計軟件COMSOL Multiphysics以及FDTD，并使用聚焦離子束刻蝕技術和電子束曝光技術制備仿真的器件，最終使用傅里葉光譜分析儀和自搭光路檢測器件的透反射特性。理論與實驗相結合，仿真指導實驗，實驗驗證仿真結果。
　　寬帶吸收器方

3、面我們首先使用折射率較高的鎢材料，結合鎢的本征損耗，使得在可見和近紅外波長范圍內的入射光局限在結構內部并被材料吸收轉化為熱損耗。理論計算和實驗測量結果能夠相互吻合，平均吸收率在400 nm-1700 nm之間高達80％。器件本身結構單一容易制備，并且整個器件厚度僅有215nm。此外它還是一個良好的耐高溫器件。在此吸收器的仿真過程中使用金、銀、鈦和鎳材料代替鎢，比較了這種材料對吸收特性的影響。結果發(fā)現(xiàn)在低折射率材料中，盡管電場強度高于高折

4、射率材料中的場強，但是高折射率材料的吸收帶寬比低折射率材料的帶寬寬。我們認為折射率的高低在吸收器帶寬這種特性中起了決定性作用。
　　除了這種吸收特性穩(wěn)定的器件，我們還設計了一種基于溫度相變VO2材料而設計的可變吸收器，這種吸收器的強吸收特性僅在85℃——VO2相變?yōu)榻饘倭喜臅r出現(xiàn)，隨著溫度的下降，吸收特性逐漸消失。
　　在諧振增強金屬透射方面，我們仍然使用金屬-電介質-金屬微納結構，在可見波段和近紅外波段實現(xiàn)了一種對偏振敏感

5、并且具有廣角工作特性的增透器件。此器件是針對要求有導電特性的應用方向而設計，器件的內部含有無縫的連續(xù)金屬薄膜。仿真和實驗結果顯示該結構的設計能夠獲得在近紅外(930 nm)40％以上的吸收。與單層金膜和連續(xù)的金屬-電介質-金屬層狀結構相比分別實現(xiàn)了2倍和8倍以上的透過率增強。
　　總體而言，針對微納光子器件在熱輻射、光學濾波、光傳感、太陽能利用等領域的應用前景，本文提出并實現(xiàn)的電磁諧振增強微納結構光學吸收或透射特性，能夠將金屬材料