工字形椭圆纳米结构的吸收及其折射率敏感特性研究

发布时间：2021-01-26 08:22

　　设计了一个由金纳米结构顶层、中间介质层和金属基底层构成的复合超材料结构。其中,金属纳米结构顶层是由三个椭圆形纳米盘所组成的"工"字形单元阵列,中间介质层是二氧化硅,金属基底层是金膜。利用有限元方法研究了该结构的吸收特性、电场分布及折射率传感特性。结果表明:该结构的吸收光谱中出现了三个吸收峰,其吸收率分别达到91.06%、99.63%和97.26%。此外,研究了结构参数和周围环境介质对吸收率的影响及其折射率变化的响应特性,折射率灵敏度最大达到425 nm/RIU（RIU为单位折射率）,品质因数（FOM）为14。这些研究将为基于表面等离激元超材料结构的完美吸收器用作折射率传感器提供理论指导。 

【文章来源】：光学学报. 2020,40(14)北大核心

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

有金基底(实线)和无金基底(虚线)时的吸收光谱

为研究该结构产生吸收峰的物理机制以及基底对其吸收率的影响,分别计算了吸收谱中位置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ处在xy平面和yz平面上的电场分布。当 λ=0.58 μm(Ⅰ)时,其电场辐射主要分布在竖直椭圆盘的两端、水平椭圆盘的上下两侧及它们之间的间隙,如图3(a)、(e)所示,这说明此处的吸收峰主要是由每个椭圆盘的偶极振荡及其之间的近场耦合作用所致。当λ=0.67 μm(Ⅱ)时,其电场辐射主要分布在竖直椭圆盘的两端及其与水平椭圆盘的间隙,如图3(b)、(f)所示,这说明此处的吸收峰主要是由竖直椭圆盘的偶极振荡及其与水平椭圆盘的近场耦合作用所致。当λ=0.81 μm(Ⅲ)时,其电场辐射主要分布在竖直椭圆盘的两端,如图3(c)、(g)所示,这说明此处的吸收峰主要是由竖直椭圆盘的偶极振荡所致。当λ=0.655 μm(Ⅳ)时,其电场辐射主要分布在竖直椭圆盘的两端及其与水平椭圆盘的间隙,如图3(d)、(h)所示,这说明此处的吸收峰主要是由竖直椭圆盘的偶极振荡及其与水平椭圆盘的近场耦合作用所致。此外,对比图3(a)～(d),可以明显看出在不同位置处发生的局域等离激元共振强度不同,其中Ⅳ处的共振强度明显弱于其他三处;这是由于Ⅳ处没有金膜作为反射镜,入射光极易透射,因此其对应的吸收峰值也较低。综上分析,该吸收器接近完美吸收是因为:在入射光作用下可产生局域表面等离激元共振,引起局域场增强;基底的反射作用使得入射光可以在基底和介质层之间来回反射,足以保证充分吸收。吸收器的部分结构参数对吸收光谱的影响如图4(a)～(d)所示。为研究三个椭圆盘之间的垂直距离d对吸收光谱的影响,研究了h=100 nm,l1=l2=l3=120 nm,w1=w2=w3=50 nm,p=540,t2=30 nm,t1=50 nm时,d从10 nm变化到40 nm的吸收谱,如图4(a)所示。随着d的增加,椭圆盘之间的近场耦合减弱,吸收光谱中每个吸收峰都出现蓝移现象。为研究三个椭圆盘的柱高h对吸收光谱的影响,研究了d=30 nm,h从70 nm变化到130 nm的吸收谱(其余结构参数与图4(a)相同),如图4(b)所示。随着h的增加,吸收光谱中的每个吸收峰出现红移。此外,Ⅰ处的吸收率随着h的增加明显提高,Ⅱ处的吸收率随着h的增加先增大后减小,Ⅲ处的吸收率随着h的增加而降低。为研究一个水平放置的椭圆盘短轴w1对吸收光谱的影响,研究了d=30 nm,w1从50 nm变化到120 nm的吸收谱(其余结构参数与图4(a)相同),如图4(c)所示。随着w1的增加,吸收光谱中的吸收峰略微红移,同时在Ⅰ和Ⅱ之间、Ⅱ和Ⅲ之间又产生了新的吸收峰。图4(d)和(e)分别为仅改变一个水平放置的椭圆盘长轴l1和仅改变竖直放置的椭圆盘短轴w2对吸收光谱的影响,从图中可以看出吸收谱几乎不发生任何变化,这是由于光沿着y轴方向极化,因此l1和w2的变化对吸收光谱的位置、峰值和吸收率几乎没有影响。为研究竖直放置的椭圆盘长轴l2 对吸收光谱的影响,研究了在d=30 nm,l2从80 nm变化到160 nm的吸收谱(其余结构参数与图4(a)相同),如图4(f)所示。随着l2 的增加,吸收光谱中所有吸收峰明显红移。此外,Ⅰ处的吸收率随着l2的增加略微提高;Ⅲ处的吸收率当l2处在100～120 nm时变化不大,当l2=80 nm时较低;Ⅲ处的吸收率随着l2的增加而先增加后降低( l2=120 nm时吸收率达到最高值)。

改变吸收器旋转角度θ对吸收光谱的影响如图5(a)所示,其中h=100 nm,l1=l2=l3=120 nm,w1=w2=w3=50 nm,p=540,t2=30 nm,t1=50 nm时,d = 30 nm,θ从0°变换到90°。随着角度的增大,I处吸收率逐渐减小直至波峰消失(60°波峰消失); II处吸收率略微减小,波峰位置无明显变化; III处吸收率逐渐减小直至波峰消失(90°波峰消失);在波长0.81 μm之后(即III处后),当角度为0°时,没有波峰,随着角度增大,吸收率逐渐减小并出现蓝移现象。图5(b)是工字型结构(model 1)和改变其结构层排列顺序(model 2)的情况下吸收光谱图,model 1 出现3个吸收峰且这3个吸收峰的吸收率都在90%以上,吸收率分别为91.06%、99.63%和97.26%;model 2 出现5个吸收峰,其中在波长0.94 μm处97.18%,其余波峰处的吸收率均在90%以下。因此,本文提出的工字型结构比改变其结构层排列顺序的吸收效果更好。3.2 折射率敏感特性

【参考文献】：
期刊论文
[1]局域表面等离激元纳米光学传感器的原理与进展[J]. 徐娅,边捷,张伟华.  激光与光电子学进展. 2019(20)
[2]太赫兹超材料吸收器的完美吸收条件与吸收特性[J]. 崔子健,王玥,朱冬颖,岳莉莎,陈素果.  中国激光. 2019(06)
[3]基于Au/Ce···YIG/TiN结构的磁光表面等离激元共振及折射率传感器研究[J]. 王会丽,秦俊,康同同,张燕,聂立霞,艾万森,李艳芳,毕磊.  激光与光电子学进展. 2019(20)



本文编号：3000786