铝纳米阵列深紫外至蓝光区透射特性的调控

胡锦莲++王祥东

摘 要：金属纳米结构具有表面等离激元（Surface Plasmon，SP），与光相互作用下会产生特殊的光学特性，在光学透射增强和光电信息增强等方面有重大的应用价值。该文采用时域有限差分法（Finite-Difference Time-Domain，FDTD）对铝周期性纳米矩形孔洞阵列结构的表面等离激元特性进行研究。结果表明，当偏振光入射时，通过改变矩形纳米孔洞间金属实体的尺寸纵横比，可以实现透射峰在深紫外至蓝光区的调控。

关键词：表面等离激元 铝周期性纳米结构 透射增强 深紫外

中图分类号：U662 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）03（c）-0117-03

表面等离激元实质上由被束缚于金属表面的光波与金属表面的自由电子发生共振耦合作用形成，它使得结构边缘处的局域电场得到极大的增强。这种特性在光电探测[1]、光学滤波器[2]、生化分析和环境检测等光信息增强领域都有着十分重要的潜在应用价值。

目前关于SP的研究主要集中在可见至红外光区，材料以贵金属金、银和铜为主，它们的SP一般在可见至近红外波段可调，深紫外的SP却不易获得。然而，可见/红外波段的光电信息科技发展日趋成熟，而紫外光区的光信息技术展现独特的优势。紫外光因具有更短的波长而具有更高的存储密度；紫外光是日盲光，在紫外光电探测和紫外通信领域应用中，能有效避免可见光和红外光的干扰。

大量研究表明孔洞形状深刻影响局域表面等离激元（Localized Surface Plasmon，LSP）的激发，从而影响金属周期性孔洞阵列结构的光学透射特性，但大多数情形下，往往是观察到可见/红外波段LSP调控共振波长，却没有进一步优化。因此，笔者设计了一种铝周期性矩形纳米孔阵列结构，通过改变结构单元的尺寸研究其在紫外至蓝光区对光学透射特性的调控。

1 计算模型设置

使用时域有限差分法（Finite-Difference Time-Domain，FDTD）计算模拟成三角对称的铝矩形孔洞阵列的透射光谱，模型结构和尺寸示意图如图1A所示。铝膜厚度50 nm，铝和空气接触的表面有一层厚度为2 nm的氧化层，铝膜内为矩形孔洞阵列，孔洞中介质为空气。两个相邻的孔洞中心距离是P，也是该结构的周期，矩形孔洞沿X轴方向长度为Lx，孔洞沿Y轴方向长度为Ly，沿X轴和Y轴方向的孔洞间金属实体长度分别为（P-Lx）和Ly。计算过程中，模拟时间为1 000 fs，光源是平面波（plane wave）。电场偏振方向沿X轴方向，模拟区域在X、Y方向上设定为周期性边界条件（periodic），Z方向上为完美匹配层吸收边界条件（PML），为满足计算精度以及提高运算速度，计算网格精度设定为dx=dy=dz=1 nm。铝、氧化铝和二氧化硅的折射率是取自Palik[3]主编的书。

众所周知，孔洞尺寸对光的透射率有很大的影响，孔洞尺寸越大，透过的光越多。因此，笔者引用占空比这一概念，占空比是指孔洞的面积占周期结构总面积的比值。一般来说，由于金属表面等离激元的贡献，小孔的透过率可以大于占空比。

2 结果与讨论

使用FDTD针对周期为200 nm，铝膜厚度为50 nm，矩形孔洞周期和面积保持不变，研究矩形Lx和Ly变化对铝周期性纳米孔洞阵列结构透射特性的影响。首先对矩形孔洞Lx和Ly都为106.4 nm的结构进行模拟计算，得到的透射谱如图1B所示。可以明显看出透射谱中有两个共振峰，峰位分别位于250 nm和346 nm处。

为了研究铝周期性纳米孔洞阵列结构的透射峰模式，分别计算了峰位在250 nm和346 nm处的电场分布图，分别如图1（B）中上插图和下插图所示。从1（B）插图中看出，矩形纳米孔洞结构在孔洞口处可得到强局域场，这表明引起局域電场增强是由纳米结构上下表面所处的环境介质和金属结构共同作用的。从上插图明显看出，电场增强因子最大处是上表面孔洞口处，说明激发波长在250 nm处的透射增强是金属上表面和空气界面被入射光激发表面等离激元，引起局域电场增强，称air（1，0）模式；同理从下插图明显看出，电场增强因子最大处是下表面孔洞口处，说明激发波长在346 nm处的透射增强是金属下表面和衬底界面被入射光激发表面等离激元，引起局域电场增强，称SiO2（1，0）模式。电场最强处位于洞口处，使得待探测分子很容易处于孔洞结构附近的强局域场环境中，这对光电信息增强的应用是非常有利的，同时对开发紫外光区的多通道光电纳米器件有重要价值。

保持孔洞面积不变，规律性地改变矩形孔洞的Lx和Ly，然后分别进行计算，透射谱如图2（A）所示。从图2（A）可以看出，随着沿Y轴方向宽度增加，SiO2（1，0）模式峰位强度也随之增强，当Ly=150.4 nm时增透效果最好，透过率是占空比的2倍。而air（1，0）模式峰位随着Ly增大，强度先增大后减小，当Ly=127 nm时增透效果最好，透过率是占空比的1.37倍。

根据图2（A），做出两种模式透射峰位随比值变化的关系图，如图2B所示。从图2B可以看出，随着矩形孔洞间金属实体的X和Y方向长度比值增加，SiO2（1，0）模式和air（1，0）模式共振峰位发生红移，在紫外至蓝光区可调。当矩形孔洞面积不变，Lx减小，Ly会增大，则金属实体部分（如区域a或b等，虚线所示）沿X轴方向的尺寸比例则增大。这种现象产生的物理机制是当入射光偏振方向平行X轴，金属实体沿着X方向的尺寸比例增加时，电荷极化的改变导致表面等离激元的峰位红移[4]，如图2（B）中插图所示。同时，两个金属实体间的相互耦合也影响着透射峰位。并且从图2（B）可以看出，两种模式峰位随比值增大都红移，但是SiO2（1，0）模式的共振峰位红移量很大，而air（1，0）模式的共振峰位红移量却很小，说明LSP对SiO2（1，0）模式共振峰位调控能力更大。

3 结语

采用FDTD方法对铝周期性矩形纳米孔洞阵列结构的透射特性进行了研究。结果表明，通过改变结构孔洞的边长，能有效在深紫外之蓝光区调控透射特性，这主要由于纳米孔间金属实体的表面等离激元受其在两个方向上的尺寸控制。该文中得到的双波段增透结构，可以应用在深紫外蓝光区的光学滤波、颜色合成、图像显示、光学检测传感、光学通信、光学存储和其他光电信息增强领域。

参考文献

[1] Bao G，Li D，Sun X，et al.Enhanced spectral response of an Al GaN-based solar-blind ultraviolet photodetector with Al nanoparticles[J].Optics Express，2014，22（20）： 24286-24293.

[2] Chen Q，Cumming DRS.High transmission and low color cross-talk plasmonic color filters using triangular-lattice hole arrays in aluminum films[J].Optics express，2010，18（13）： 14056-14062.

[3] Palik E，Ghosh G，Prucha E.Handbook of Optical Constants of Solids[M].New York： Academic Press，1985.

[4] Hu J，Chen L，Lian Z，et al.Deep-Ultraviolet Blue-Light Surface Plasmon Resonance of Al and Al-core/Al2O3shell in Spherical and Cylindrical Nanostructures[J].Journal of Physical Chemistry C，2012，116（29）：15584-15590.