基于PDMS薄膜的等离子体光栅仿真分析

陈壮壮，王志斌，李克武，吴笑男

（中北大学 理学院 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心，山西 太原 030051）

引言

光栅（grating）属于应用广泛的光学元件，在光学传感、集成光路、光信息处理、光通信等光学应用领域都呈现了举足轻重的作用。目前，该元件主要运用在纳米级别。国内外对于新型的光学元件纳米级光栅在生物传感、光子晶体[1-3]等多领域都有深入的研究和探讨。

在柔性器件领域，柔性电子设备主要有两类，其中有机半导体[4-6]占比最高。而在制备其他的柔性元件时，则主要依托聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）[7]等一些具有良好可拉伸性能的材料，以及其他具有延展性的结构类体系材料。PDMS 薄膜不仅拉伸性能良好，且具有亲肤性和无毒性。因此，PDMS薄膜作为柔性材料的代表受到了大家的青睐，被广泛应用在柔性电子设备和可穿戴设备[8]之中。在这些应用中，作为柔性支撑材料是PDMS 薄膜本身最常见的作用。

本文选用时域有限差分（finite difference time domain，FDTD）法，通过相关仿真软件FDTD Solutions，建立一种以PDMS 薄膜为基板的具有周期边界条件的二维金属等离子体光栅仿真结构。通过对光栅施加应力，改变PDMS 薄膜等离子体光栅的参数（即周期、占空比及Au 膜厚度），并对其进行设计仿真和理论计算。通过对其共振波长特性的探究，本文提出了对应力最为敏感的等离子体光栅结构。最后将仿真结果与理论数值做对比，并计算出相对误差的大小。

1 基本原理

1.1 等离子体光栅理论模型

等离子体作为一种比较特殊的物质状态，是由高密度且呈均等分布状态的两种带电自由粒子所构成的[9]，它本身不会产生空间电荷，对外也不显电性。……