关键词：
表面等离极化激元
法布里-珀罗谐振
损耗抑制
场增强
红外吸收
摘要：
硅是地壳中含量最丰富的元素之一,具有许多优异的特点:首先,圆晶硅加工方便,机械性能良好,相较其他的半导体材料成本更低;其次,硅的折射率较大,且在通讯波长是透明的,在某些波段非常适合作传输波导;第三,硅基光电子技术与目前成熟的互补金属氧化物半导体工艺高度兼容,技术经验积累十分充足;另外,硅的等离子体色散效应非常显著,基于此的硅基光调制技术也在不断取得突破。可以说,硅是目前应用最为广泛的半导体材料。但由于自身的禁带宽度较大(1.12 eV),硅无法吸收波长大于1100 nm的光,这就限制了硅材料在红外范围内的应用。为了拓展硅材料的吸收范围,研究人员提出了在硅材料表面制作金属微纳结构,激发表面等离极化激元的方式,来提高材料在红外波段的吸收。针对表面等离激元的研究是微纳光学领域近年来最受关注的热点之一。表面等离极化激元是一种沿金属-介质界面传播的特殊的表面波,能有效地将能量限制在一个非常薄的范围内。这种表面波具有较大的波矢,有机会突破衍射极限,并能在近场范围内导致明显的场增强效果,实现在亚波长尺度下的光场调控作用。另外,表面等离极化激元在传播过程中会无辐射衰减形成热电子,这意味着限制材料吸收波段的因素由材料自身的禁带宽度变成了金属与介质界面处的肖特基势垒高度,为提高硅的红外吸收提供了可能。因此,表面等离极化激元在诸如超材料、非线性光学、太阳能电池、高集成度光电器件等领域具有广阔的应用前景。与其他方法相比,基于金属微结构的表面等离极化激元有许多独有的特性,例如,通过改变微结构的参数,可以人为地控制吸收带的频率,谱宽等特性,实现吸收带的可调谐特点;通过制备相应的一维或二维微纳结构,可以实现对具有偏振特性的入射光的不同响应。另外,通过特殊的设计来抑制等离激元的损耗也是十分有意义的工作。根据以上几点,本文通过仿真对设计的各种硅基金属微纳结构的特性做出预测,并在实验中利用激光直写、电子束曝光等手段,制备这些结构来实现相应的功能。具体来说,论文的主要工作有以下几点:1.利用新型的一维硅基金属微纳结构,实现了谐振峰的线性可调谐性。利用激光直写等手段,将一维光栅图案制备在圆晶硅片上,并用磁控溅射的方式沉积薄膜,最终获得一种多层金属-介质交替排列的光栅结构。光栅内部的多层膜会形成法布里-珀罗腔结构,导致具有高度频率选择性的多模式谐振。通过拟合的方式计算了波导端面处的附加相移,计算结果与仿真高度吻合。研究了多层结构各类参数对实验结果的影响,对工艺上的误差进行了分析。经过具体的设计,这种法布里-珀罗模式的主要谐振级次可以恰好分布在几个红外大气窗口内,具有巨大的应用价值。2.利用新型复合一维光栅结构,基于表面等离极化激元不同模式之间的耦合,实现了对结构损耗的有效抑制。在利用激光直写制备图案之后,利用反应离子束刻蚀,将样品表面刻出一维的槽状结构,之后再进行镀膜处理。保留的多层膜部分仍然会激发法布里-珀罗谐振模式,而沟槽部分会激发额外的腔效应与之发生耦合,从而降低整个结构的损耗。通过分析耦合模式的各种参量,给出了结构整体以及部分损耗之间的关系,提供了一种估算复合结构损耗的新思路。在具体的计算过程中,提出了利用场强积分来确定有效模式面积的方法。此外,借助金属-介质-介质多层膜结构,利用准静态极限处结构辐射特性的突然变化,实现了场增强效应的最大化,使得这种槽状多层光栅在具有较低损耗的同时,保持了良好的场增强能力,而这正是设计高品质等离激元器件的关键。3.利用二维金属微纳结构,实现了硅基材料窄带或宽带的吸收效果,并且不依赖于入射光的偏振状态。设计了若干种二维结构,包括金属纳米天线,深孔阵列,以及随机的银纳米颗粒。前两种结构都保留了法布里-珀罗谐振的一些特点,同时又实现了对偏振的不敏感性。通过仿真,给出了纳米天线的谐振光谱,由于狭缝波导的两端是等效界面,所以对附加相移也产生了一定影响,但拟合求解的方式仍然适用。研究深孔阵列结构,给出了基于介质-金属-介质的不对称三层波导中表面等离极化激元的谐振模式,这种结构具有宽波段的高吸收效果。通过在硅表面镀制银膜并高温热处理的方式,制备出了随机大小及分布的银纳米颗粒,银颗粒的尺寸大致由热处理的温度决定。这种结构尺寸以及分布的高度的随机性,导致了其在1200 nm-2500 nm波段内的超宽带的吸收效果,展现了与之前各种结构截然不同的特点。
