等離激元窄帶吸收薄膜的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種等離激元窄帶吸收薄膜，包括基底層及設(shè)置于所述基底層表面的介質(zhì)層，還包括設(shè)置在所述介質(zhì)層表面的隔離層及設(shè)置在所述隔離層表面的介電顆粒層，所述介電顆粒層由多個(gè)介電顆粒按一定周期排列形成。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：1、相比于金屬顆粒中的自由電子的等離激元共振，熱損耗能夠大大降低。2、能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)局域的電磁共振窄波長(zhǎng)光吸收，進(jìn)一步增強(qiáng)電磁波與介電顆粒作用強(qiáng)度，因此可以在不均勻的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)窄波長(zhǎng)的強(qiáng)局域共振響應(yīng)。3、可以調(diào)節(jié)電磁能量在介質(zhì)層和介電顆粒的吸收比例，從而降低金屬熱損耗。
【專利說(shuō)明】
等離激元窄帶吸收薄膜
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及二維平面光子晶體領(lǐng)域，尤其涉及一種等離激元窄帶吸收薄膜。
【背景技術(shù)】
[0002] 金屬顆粒在電磁波的激勵(lì)耦合下產(chǎn)生表面電子的集體震蕩表現(xiàn)了奇異的光學(xué)特 性，也就是所謂的局域等離激元共振特性。這種光和電子的共振能夠?qū)⒐饧s束在金屬顆粒 表面幾十納米甚至更小的范圍，并且形成很強(qiáng)的局域電磁場(chǎng)，金屬顆粒的局域等離激元超 強(qiáng)的光學(xué)局域和光場(chǎng)增強(qiáng)特性使其在生物傳感器、表面增強(qiáng)拉曼光譜以及熒光增強(qiáng)光譜等 技術(shù)上展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用前景。
[0003] 另一方面，當(dāng)金屬顆粒形成周期性陣列時(shí)，在一定的激發(fā)電磁波長(zhǎng)下，顆粒周期陣 列的衍射模式和單個(gè)顆粒的局域等離激元共振發(fā)生相互作用，顯示出一種新奇窄帶光學(xué)振 蕩模式。在這種陣列的集體共振耦合下，單個(gè)顆粒的局域等離激元的共振能量向自由空間 的輻射會(huì)大大減少，更多的電磁波的能量將會(huì)束縛在金屬顆粒陣列中，相應(yīng)腔體的振蕩模 式的品質(zhì)因子得到提高。這種異常的金屬納米顆粒陣列具有光放大的局域電磁共振，同時(shí) 能夠產(chǎn)生很窄波長(zhǎng)的光學(xué)吸收響應(yīng)，因此在納米激光器，傳感器，探測(cè)器等領(lǐng)域有潛在的應(yīng) 用價(jià)值。美國(guó)西北大學(xué)的Teri W. Odom等人（2013, Nature Nanotechnology)利用金屬顆 粒周期陣列的共振腔體模式，結(jié)合紅外染料熒光分子增益材料，實(shí)現(xiàn)室溫等離激元耦合紅 外光致激射發(fā)光。相關(guān)周期性金屬顆粒陣列等離激元耦合共振應(yīng)用研究廣受關(guān)注，但是其 應(yīng)用前景同樣受到限制。首先金屬顆粒陣列需要在一個(gè)均勻的介質(zhì)環(huán)境中才能實(shí)現(xiàn)衍射耦 合共振。在不同的襯底表面，這種周期性金屬結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的衍射耦合作用將會(huì)減弱，這樣無(wú)法 阻止更多的電磁波泄露到自由空間中。其次，金屬顆粒中自由電子等離激元耦合共振產(chǎn)生 的局域電磁增強(qiáng)場(chǎng)通常伴隨著較大的電磁能量吸收，會(huì)產(chǎn)生大量的金屬熱損耗，導(dǎo)致金屬 周期陣列對(duì)電磁能量的全吸收主要轉(zhuǎn)換為金屬的熱損耗。這樣不僅會(huì)使金屬結(jié)構(gòu)周圍的溫 度升高，而且會(huì)使電磁波能量的利用率降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種等離激元窄帶吸收薄膜，其具有 低熱消耗、能夠在不均勻的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)窄段吸收的優(yōu)點(diǎn)。
[0005] 為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種等離激元窄帶吸收薄膜，包括基底層及設(shè) 置于所述基底層表面的介質(zhì)層，還包括設(shè)置在所述介質(zhì)層表面的隔離層及設(shè)置在所述隔離 層表面的介電顆粒層，所述介電顆粒層由多個(gè)介電顆粒按一定周期排列形成。
[0006] 進(jìn)一步，所述介電顆粒按照一平行四邊形陣列排列形成介電顆粒層。
[0007] 進(jìn)一步，所述平行四邊形陣列的兩邊的夾角Θ的范圍為：〇° < Θ <90°
[0008] 進(jìn)一步，每相鄰的兩個(gè)介電顆粒之間的距離相等，所述介電顆粒的周期為相鄰的 兩個(gè)介電顆粒之間的距離與介電顆粒的直徑之和。
[0009] 進(jìn)一步，所述等離激元窄帶吸收薄膜受一定波長(zhǎng)的電磁波的激發(fā)，所述介電顆粒 的周期與所述電磁波的波長(zhǎng)的比值范圍為0. 05-1。
[0010] 進(jìn)一步，所述等離激元窄帶吸收薄膜受一定波長(zhǎng)的電磁波的激發(fā)，所述介電顆粒 的的尺寸與所述電磁波的波長(zhǎng)的比值范圍為0. 05-1。
[0011] 進(jìn)一步，所述介電顆粒層的折射率大于所述隔離層的折射率。
[0012] 進(jìn)一步，所述介電顆粒層的折射率與所述隔離層的折射率的比值大于1. 4。
[0013] 進(jìn)一步，所述介電顆粒的材料為無(wú)機(jī)材料或有機(jī)材料中的一種。
[0014] 進(jìn)一步，所述介質(zhì)層的材料為石墨稀或金屬。
[0015] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0016] 1、高折射率介電顆粒能夠和入射的電磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生諧振的電磁耦合模式，這 種諧振模的產(chǎn)生基于介電顆粒中的束縛電子電磁耦合共振，相比于金屬顆粒中的自由電子 的等離激元共振，熱損耗能夠大大降低。
[0017] 2、周期性的介電顆粒陣列能夠產(chǎn)生類似于金屬顆粒陣列的衍射耦合共振，能夠?qū)?現(xiàn)強(qiáng)局域的電磁共振窄波長(zhǎng)光吸收，并且這種共振模式在靠近金屬時(shí)，同金屬表面的等離 激元相互耦合，進(jìn)一步增強(qiáng)電磁波與介電顆粒作用強(qiáng)度，因此可以在不均勻的環(huán)境中實(shí)現(xiàn) 窄波長(zhǎng)的強(qiáng)局域共振響應(yīng)。
[0018] 3、通過(guò)改變介電顆粒的排列周期，可以調(diào)節(jié)電磁能量在介質(zhì)層和介電顆粒的吸收 比例，從而降低金屬熱損耗。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1為本發(fā)明等離激元窄帶吸收薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2為在垂直電磁場(chǎng)（波矢方向沿Z軸）入射下的等離激元窄帶吸收薄膜表面的 反射和吸收光譜曲線；
[0021] 圖3為電場(chǎng)強(qiáng)度沿硅介電顆粒中心XZ面分布圖；
[0022] 圖4為在垂直電磁場(chǎng)入射下的材料表面的硅介電顆粒層和銀金屬介質(zhì)層分別吸 收光譜曲線；
[0023] 圖5為金屬銀介質(zhì)層，硅介電顆粒層以及總的電磁波的吸收強(qiáng)度峰值對(duì)周期的變 化曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供的等離激元窄帶吸收薄膜的【具體實(shí)施方式】做詳細(xì)說(shuō) 明。圖1中X-軸、Y-軸及Z-軸分別代表X軸、Y軸及Z軸。
[0025] 參見(jiàn)圖1，本發(fā)明等離激元窄帶吸收薄膜包括基底層101、設(shè)置于所述基底層101 表面的介質(zhì)層102、設(shè)置在所述介質(zhì)層102表面的隔離層103及設(shè)置在所述隔離層103表面 的介電顆粒層104。
[0026] 所述介電顆粒層104由多個(gè)介電顆粒105按一定周期排列形成。每相鄰的兩個(gè)介 電顆粒105之間的距離相等，所述介電顆粒105的周期P為相鄰的兩個(gè)介電顆粒105之間的 距離與介電顆粒105的直徑之和。在本【具體實(shí)施方式】中，所述介電顆粒105按照一平行四邊 形陣列排列形成介電顆粒層104。例如，四個(gè)介電顆粒105,可分別設(shè)置為平行四邊形陣列 的四個(gè)頂點(diǎn)，所述平行四邊形陣列的相鄰的兩個(gè)邊的夾角Θ的范圍為：〇° < Θ <90°。 本發(fā)明介電顆粒105按一定周期排列形成介電顆粒層104,使得介電顆粒層104能夠在電磁 波的激發(fā)下產(chǎn)生一定波長(zhǎng)的異常衍射共振模式，這種共振模式能夠與金屬等離激元相互耦 合，進(jìn)而增強(qiáng)電磁波與介電顆粒105作用強(qiáng)度，并且可通過(guò)調(diào)節(jié)介電顆粒105的排列周期來(lái) 調(diào)控介質(zhì)層102及介電顆粒層104對(duì)電磁波的吸收強(qiáng)度。
[0027] 所述介電顆粒105的材料可以為有機(jī)材料或無(wú)機(jī)材料；所述有機(jī)材料為有機(jī)聚合 物任意一種；所述無(wú)機(jī)材料為娃、鍺、二氧化鈦、磷化鎵、砷化鎵、硫化鎘、氧化鋅、氮化鎵、硒 化錦中任意一種或者一種可使用微制造技術(shù)或者納米制造技術(shù)加工的尚折射率的材料制 成。
[0028] 所述介電顆粒105的形狀可以為任意形狀，例如，球體、圓柱、棱錐、多面體，本發(fā) 明不進(jìn)行限制。本【具體實(shí)施方式】中，所述介電顆粒105的材料為硅，選取為球體，其半徑r 選取 65nm，周期 p 可為：300nm-700nm。
[0029] 進(jìn)一步，所述等離激元窄帶吸收薄膜受一定波長(zhǎng)的電磁波的激發(fā)，所述介電顆粒 105的周期與所述電磁波的波長(zhǎng)的比值范圍為0. 05-1。所述介電顆粒105的尺寸與所述電 磁波的波長(zhǎng)的比值范圍為0. 05-1。所述介電顆粒105的尺寸指介電顆粒105在所有方向上 的最大長(zhǎng)度。
[0030] 所述基底層101起到支撐襯底的作用，其材料本發(fā)明不進(jìn)行限制。
[0031] 所述介質(zhì)層102起到電磁場(chǎng)反射和等離激元局域激發(fā)的作用，在激發(fā)源的電磁場(chǎng) 和介電顆粒層104作用后，一部分電磁場(chǎng)會(huì)透過(guò)介電顆粒層104,介質(zhì)層102能夠?qū)⑼高^(guò)的 電磁場(chǎng)反射以及與之作用產(chǎn)生等離激元振蕩，進(jìn)一步的增強(qiáng)電磁場(chǎng)的局域性和吸收效率。 所述介質(zhì)層102的材料可以為石墨烯或金屬，所述金屬可以為金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻中任 意一種或幾種的合金。在本【具體實(shí)施方式】中采用銀材料作為介質(zhì)層102,復(fù)介電函數(shù)色散 關(guān)系為：~=今-6間^化)]1，￡〃=9.54'，； /=:〇.〇4(^'。其中，％為銀的復(fù)介電函數(shù)，^ 為銀的電介質(zhì)常數(shù)部分，Ep為銀的自由電子氣的等離子振蕩能量，γ為銀的自由電子氣的 振蕩弛豫時(shí)間，E為電磁波的振蕩能量。
[0032] 所述隔離層103主要為了調(diào)節(jié)介電顆粒105陣列共振模式和下層介質(zhì)層102金 屬等離激元的耦合強(qiáng)度，可以通過(guò)改變隔離層103的厚度d，調(diào)節(jié)介質(zhì)層102和介電顆粒層 104的電磁能量吸收比例。其次可以通過(guò)調(diào)節(jié)隔離層103的厚度d，較大范圍的調(diào)節(jié)窄帶吸 收的峰位，在本【具體實(shí)施方式】中所述隔離層103的厚度d為5nm。所述隔離層103的材料可 以是二氧化硅，三氧化二鋁，四氟化鎂等低折射率介電材料。
[0033] 進(jìn)一步，所述介電顆粒層104的折射率大于所述隔離層103的折射率，優(yōu)選地，所 述介電顆粒層104的折射率與所述隔離層103的折射率的比值大于1. 4,所述隔離層103的 折射率大于1。其優(yōu)點(diǎn)在于，使電磁能量更多的局域在介電顆粒105以下及介質(zhì)層102以上 的區(qū)域，減少電磁波向空氣中的輻射，增強(qiáng)介電顆粒105和介質(zhì)層102對(duì)電磁能量的吸收。
[0034] 本發(fā)明的等離激元窄帶吸收薄膜基于周期性的介電顆粒陣列產(chǎn)生異常衍射共振 模式和金屬的鏡像效應(yīng)以及金屬等離激元相互作用實(shí)現(xiàn)可調(diào)波長(zhǎng)的窄帶吸收薄膜。自由空 間中的單個(gè)介電顆粒在電磁場(chǎng)的照射下能夠產(chǎn)生一定波長(zhǎng)的共振模式，這類共振模式也被 稱為介電顆粒的Mie散射振蕩。適當(dāng)?shù)剡x擇來(lái)自光源的激發(fā)電磁場(chǎng)特性（如電場(chǎng)激化方向 和頻率）來(lái)激發(fā)介電顆粒和金屬襯底的共振模式，激發(fā)光源可以包括任何用于以所希望的 波長(zhǎng)發(fā)射電磁波的適當(dāng)源，并且能夠可調(diào)波長(zhǎng)的輻射。例如，商業(yè)可得到的半導(dǎo)體激光器、 氦氖激光器、二氧化碳激光、發(fā)光二極管、白熾燈以及許多其他公知的輻射發(fā)射源。當(dāng)介電 顆粒形成周期性陣列結(jié)構(gòu)時(shí)，Mie散射共振模式之間發(fā)生相互耦合，產(chǎn)生異常衍射共振。這 種異常衍射共振模式進(jìn)一步通過(guò)金屬的鏡像效應(yīng)和等離激元效應(yīng)相互作用，能夠選擇性的 將某一特定窄帶波長(zhǎng)的電磁波能量局域在金屬和介電顆粒之間（如圖2所示），阻止電磁 能量向自由空間耗散。金屬的鏡像效應(yīng)和等離激元作用增強(qiáng)了介電顆粒陣列和金屬對(duì)電磁 波的選擇波長(zhǎng)的吸收效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)入射電磁波的窄帶全吸收。通過(guò)調(diào)節(jié)介電顆粒陣列的周 期，能夠平衡電磁能量在介電顆粒陣列和金屬之間的吸收比例（如圖5所示），減少金屬的 熱損耗，增強(qiáng)介電顆粒陣列的吸收特性。
[0035] 使用時(shí)域有限差分方法對(duì)本【具體實(shí)施方式】等離激元窄帶吸收薄膜進(jìn)行了仿真模 擬，圖2所示為等離激元窄帶吸收薄膜周期p = 540nm，介電顆粒105半徑r = 65nm，隔離 層103厚度d = 5nm時(shí)，本發(fā)明提供的【具體實(shí)施方式】中在垂直電磁場(chǎng)（波矢方向沿Z軸） 入射下的材料表面的反射和吸收光譜曲線。由圖2可見(jiàn)，在電磁波長(zhǎng)598. 5nm處，該結(jié)構(gòu)獲 得94%的電磁波全吸收，其吸收帶寬接近7nm。
[0036] 圖3所示為本【具體實(shí)施方式】中等離激元窄帶吸收薄膜在周期p = 540nm，介電顆粒 105半徑r = 65nm，隔離層103厚度d = 5nm參數(shù)下，在電磁波長(zhǎng)598. 5nm激發(fā)下，電場(chǎng)強(qiáng) 度沿硅介電顆粒105中心XZ面分布圖。圖3可見(jiàn)，電磁場(chǎng)和薄膜材料結(jié)構(gòu)作用的大部分電 場(chǎng)能量居于硅介電顆粒層104之下二氧化硅隔離層103之上，尤其在硅介電顆粒105和二 氧化硅隔離層103的接觸點(diǎn)兩邊數(shù)十納米區(qū)域范圍，電場(chǎng)強(qiáng)度得到了極大的增強(qiáng)，其場(chǎng)強(qiáng) 增強(qiáng)達(dá)到40倍左右。
[0037] 圖4所示為本【具體實(shí)施方式】中等離激元窄帶吸收薄膜在p = 540nm，r = 65nm，d =5nm參數(shù)下，在垂直電磁場(chǎng)入射下的材料表面的娃介電顆粒層104和介質(zhì)層102分別吸 收光譜曲線，其中介質(zhì)層102采用金屬銀制作。由圖4可見(jiàn)，本【具體實(shí)施方式】中的等離激元 窄帶吸收薄膜對(duì)電磁場(chǎng)的吸收分為兩部分，一部分被娃介電顆粒層104吸收，另外一部分 被介質(zhì)層102所吸收。
[0038] 圖5所示為本【具體實(shí)施方式】中等離激元窄帶吸收薄膜在介電顆粒105半徑r = 65nm，隔離層103厚度d = 5nm參數(shù)下，在周期p為300-700nm，周期取樣間隔20nm時(shí)，本發(fā) 明等離激元窄帶吸收薄膜的介質(zhì)層102,硅介電顆粒層104以及總的電磁波的吸收強(qiáng)度峰 值對(duì)周期的變化曲線圖。由圖5可見(jiàn)，本【具體實(shí)施方式】中的等離激元窄帶吸收薄膜介質(zhì)層 102以及硅介電顆粒105對(duì)電磁波的吸收強(qiáng)度隨著介電顆粒105周期的變化而改變。當(dāng)周 期小于560nm時(shí)，硅介電顆粒層104對(duì)電磁波的吸收強(qiáng)度大于介質(zhì)層102的吸收強(qiáng)度，并且 在周期較小時(shí)，幾乎所有的電磁波的能量都被硅介電顆粒層104所吸收。而在周期較大時(shí)， 介質(zhì)層102對(duì)電磁波的吸收逐漸增強(qiáng)，而硅介電顆粒層104的吸收強(qiáng)度減弱。當(dāng)周期進(jìn)一 步增加時(shí)，等離激元窄帶吸收薄膜對(duì)電磁波總吸收強(qiáng)度將迅速減少。由此可見(jiàn)，可以通過(guò)調(diào) 節(jié)硅介電顆粒105的周期從而改善電磁波能量在介電顆粒層104和介質(zhì)層102之間的吸收 比例。
[0039] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為 本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種等離激元窄帶吸收薄膜，包括基底層及設(shè)置于所述基底層表面的介質(zhì)層，其特 征在于，還包括設(shè)置在所述介質(zhì)層表面的隔離層及設(shè)置在所述隔離層表面的介電顆粒層， 所述介電顆粒層由多個(gè)介電顆粒按一定周期排列形成。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離激元窄帶吸收薄膜，其特征在于，所述介電顆粒按照一 平行四邊形陣列排列形成介電顆粒層。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的等離激元窄帶吸收薄膜，其特征在于，所述平行四邊形陣列 的兩邊的夾角Θ的范圍為：〇° < Θ彡90°。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的等離激元窄帶吸收薄膜，其特征在于，每相鄰的兩個(gè)介電 顆粒之間的距離相等，所述介電顆粒的周期為相鄰的兩個(gè)介電顆粒之間的距離與介電顆粒 的直徑之和。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的等離激元窄帶吸收薄膜，其特征在于，所述等離激元窄帶吸 收薄膜受一定波長(zhǎng)的電磁波的激發(fā)，所述介電顆粒的周期與所述電磁波的波長(zhǎng)的比值范圍 為 0.05-1。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離激元窄帶吸收薄膜，其特征在于，所述等離激元窄帶吸 收薄膜受一定波長(zhǎng)的電磁波的激發(fā)，所述介電顆粒的尺寸與所述電磁波的波長(zhǎng)的比值范圍 為 0.05-1。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離激元窄帶吸收薄膜，其特征在于，所述介電顆粒層的折 射率大于所述隔離層的折射率。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離激元窄帶吸收薄膜，其特征在于，所述介電顆粒層的折 射率與所述隔離層的折射率的比值大于1. 4。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離激元窄帶吸收薄膜，其特征在于，所述介電顆粒的材料 為無(wú)機(jī)材料或有機(jī)材料中的一種。10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離激元窄帶吸收薄膜，其特征在于，所述介質(zhì)層的材料為 石墨稀或金屬。
【文檔編號(hào)】H01P1/20GK106033829SQ201510106462
【公開(kāi)日】2016年10月19日
【申請(qǐng)日】2015年3月11日
【發(fā)明人】黃增立, 王建峰, 劉爭(zhēng)暉, 徐耿釗, 鐘海艦, 樊英民, 徐科
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所