金屬/介質(zhì)光柵套構(gòu)超材料： 從吸收到輻射

張二磊+王宇飛+鄭婉華

摘 要： 大多數(shù)的微納結(jié)構(gòu)輻射體， 都存在相對(duì)寬帶、 角度范圍大， 或雙邊輻射、 輻射損耗大的問(wèn)題， 因此降低了輻射效率。 本文提出了Au光柵與SiO2波導(dǎo)光柵相套構(gòu)的超材料設(shè)計(jì)， 希望得到窄帶、 單邊的輻射特性， 還提出了Au/SiO2多層光柵與SiO2波導(dǎo)光柵相套構(gòu)的超材料設(shè)計(jì)， 進(jìn)一步提高了吸收率和窄化吸收帶寬， 從而改善與吸收相關(guān)的輻射性能。 這種套構(gòu)的超材料結(jié)構(gòu)結(jié)合了表面等離子體效應(yīng)與光子晶體效應(yīng)， 是未來(lái)構(gòu)建新型功能材料的發(fā)展方向之一， 在此基礎(chǔ)上的器件也將有望表現(xiàn)出更加優(yōu)異的性能。

關(guān)鍵詞： 超材料； 吸收； 熱輻射； 光柵； 套構(gòu)

中圖分類號(hào)：TN215 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-5048（2017）06-0077-06[SQ0]

0 引 言

當(dāng)光傳輸經(jīng)過(guò)光學(xué)器件的時(shí)候， 通常會(huì)發(fā)生透射或衍射、 反射以及吸收等行為。 基于對(duì)光的探索和光行為的利用， 對(duì)光行為之間的關(guān)系研究從來(lái)沒(méi)有間斷過(guò)。 光的非對(duì)稱傳輸是信息處理的基礎(chǔ)。 對(duì)應(yīng)的器件不但可以通過(guò)自然的各向異性晶體或非線性材料制備[1-4]， 也可以采用近年來(lái)發(fā)展的人工微結(jié)構(gòu)功能材料， 如手征超材料[5-8]、 光子晶體、 介質(zhì)光柵以及等離子亞波長(zhǎng)狹縫[9-14]。 在宇稱-時(shí)間相關(guān)的系統(tǒng)中， 當(dāng)耦合通道間的能量振蕩不再對(duì)稱時(shí)， 光可以表現(xiàn)出非互易傳輸?shù)奶匦訹15]。

通過(guò)在金屬襯底上鍍一層超薄和高吸收的膜， Cappaso小組實(shí)現(xiàn)了對(duì)入射光的選擇性吸收， 且具有低的角度敏感性[16]。 Moreau A等人通過(guò)平衡金屬表面所激發(fā)的電致電流和虛構(gòu)的磁致電流， 獲得了大面積的可控光吸收[17]。 越來(lái)越多的人關(guān)注光能量的轉(zhuǎn)換和利用。 光吸收的研究通常應(yīng)用在太陽(yáng)能電池中， 通過(guò)特殊的等離子光子學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 可以獲得寬帶、 偏振無(wú)關(guān)、 角度不敏感的光吸收[18]。 另一方面， 光吸收可以產(chǎn)生熱， 這種光熱效應(yīng)可以用于等離子光熱治療[19]、 金屬納米線接觸點(diǎn)的融化[20]、 以及紅外頻段的熱輻射體[21]等。

就輻射體而言， 一些微納結(jié)構(gòu)已經(jīng)被報(bào)道， 如金屬-介質(zhì)-金屬（MIM）三明治結(jié)構(gòu)[22]、 雙曲超材料結(jié)構(gòu)[23]、 金屬光子晶體結(jié)構(gòu)[24]、 表面光柵[25]等。 本文提出了Au光柵與SiO2波導(dǎo)光柵相套構(gòu)的超材料設(shè)計(jì)， 希望得到窄帶、 單邊的輻射特性， 還提出了Au/SiO2多層光柵與SiO2波導(dǎo)光柵相套構(gòu)的超材料設(shè)計(jì)， 以進(jìn)一步提高吸收率和窄化吸收帶寬， 從而改善與吸收相關(guān)的輻射性能。

1 光柵套構(gòu)超材料與模式雜化

圖1給出了兩種超構(gòu)材料的設(shè)計(jì)， 第一種為Au光柵+SiO2波導(dǎo)光柵的結(jié)構(gòu)， 見(jiàn)圖1（a）， 第二種為Au/ SiO2多層光柵+SiO2波導(dǎo)光柵的結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。 圖中均只畫(huà)出兩個(gè)單元， 光的入射方向定義為從下到上為正方向， 從上到下為反方向。 首先分析第一種結(jié)構(gòu)， 為了解超構(gòu)材料的性質(zhì)， 從單一光柵元件的特性著手研究。 所設(shè)計(jì)的Au光柵的條寬為1.2 μm， 厚度為700 nm， 周期為1.35 μm。

反向入射的光為T(mén)M偏振， 電場(chǎng)方向平行于光柵的周期方向。

模式雜化示意圖如圖2所示。

圖2（a）顯示了Au光柵的一些本征吸收峰及其對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)幅值分布。 吸收往往是由表面等離子共振引入的， 吸收峰對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)分別為1.994 2 μm， 1.724 7 μm， 1.535 0 μm， 1.403 6 μm， 意味著這些波長(zhǎng)的光入射能夠激發(fā)出超材料特定的表面等離子共振模式。 磁場(chǎng)幅值分布顯示， 隨著吸收峰波長(zhǎng)的減小， 金膜側(cè)壁上的磁場(chǎng)幅值極大值逐漸增多， 稱之為表面等離子的縱向模式分布， 而后三個(gè)吸收峰在金膜的上表面呈現(xiàn)出明顯的橫向模式分布。 此外， 由于兩相鄰金屬側(cè)壁構(gòu)成空氣槽中的FP腔面， 使得第一個(gè)吸收峰在空氣槽中形成了明顯的腔共振， 這個(gè)吸收峰對(duì)應(yīng)等離子光柵的布洛赫波長(zhǎng)。

圖2（b）所示為第一種超材料結(jié)構(gòu)的吸收譜， 這種結(jié)構(gòu)采用Au填充SiO2波導(dǎo)光柵的空氣槽， 尺度保持不變， 即為Au光柵與SiO2波導(dǎo)光柵套構(gòu)而成。 吸收譜中存在幾個(gè)吸收率高于Au光柵的吸收峰， 對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)分別為λ=1.906 8 μm， 1.763 3 μm， 1.555 7 μm， 1.408 4 μm， 峰的位置與Au光柵的吸收峰有所偏離， 這種現(xiàn)象認(rèn)為是相套構(gòu)的兩種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的模式雜化效應(yīng)[26-27]。 在遵循雜化原則的前提下， SiO2波導(dǎo)光柵的Fano共振模式與Au光柵的特定吸收峰相雜化， 得到超材料結(jié)構(gòu)的吸收峰。 換句話說(shuō)， SiO2波導(dǎo)光柵的Fano共振增強(qiáng)了Au光柵對(duì)入射光的吸收， 從而使超材料的吸收率相對(duì)增大。 圖中不同灰度的虛線標(biāo)示出參與雜化的不同模式和最終的雜化模式。 為了驗(yàn)證這些模式雜化效應(yīng)的成立， 對(duì)超材料結(jié)構(gòu)每個(gè)吸收峰對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)幅值分布進(jìn)行計(jì)算。 可以發(fā)現(xiàn)， 在強(qiáng)耦合的情況下， 每個(gè)吸收峰都顯示出SiO2波導(dǎo)光柵中導(dǎo)模共振與Au光柵表面等離子共振相耦合后形成超模的效果。 而最后一個(gè)吸收峰由于這種耦合較弱， 而使幅值分布顯得不明顯。

圖2（c）顯示了測(cè)得的SiO2波導(dǎo)光柵的透射譜。 結(jié)構(gòu)的總厚度為2.7 μm， 周期為1.35 μm， 空氣槽寬為1.2 μm， 深度為700 nm。 在透射譜中有三個(gè)顯著的下降峰， 分別為λ=1.865 8 μm， 1.683 1 μm， 1.486 8 μm， 是典型的Fano共振線型。 三個(gè)模式對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)幅值分布如插圖所示， 在SiO2波導(dǎo)光柵中， 均形成了導(dǎo)模共振形式的分布。 沿縱向按得到幅值極大值的數(shù)目來(lái)分， 分別對(duì)應(yīng)一階、 二階和三階Fano共振。

2 吸收特性

前文分析了模式雜化， 進(jìn)一步研究超材料結(jié)構(gòu)在光正向入射和反向入射情況下的吸收特性。 圖3（a）和（b）分別給出了正向入射和反向入射后得到的ATR譜， 反向入射時(shí)， 通信波長(zhǎng)1.55 μm處出現(xiàn)了吸收率高達(dá)96.43%的吸收峰， 峰寬度比ΔλFWHMλ為0.0037， 這個(gè)值低于國(guó)際現(xiàn)有報(bào)道[21]。 而在正向入射時(shí)對(duì)應(yīng)這一波長(zhǎng)的光的吸收率僅為2.68%。 由于兩種情況下光的透射率很小約為4%， 故可以認(rèn)為這種超構(gòu)材料對(duì)1.55 μm的光具有單向吸收和單向反射的特性。 這是每一種單獨(dú)結(jié)構(gòu)材料所不具有的性質(zhì)。 前文的雜化分析只給出了反向入射的情況， 而對(duì)正向入射， 仍可以采用同樣的分析， 只是由于Au光柵上下界面的不同導(dǎo)致表面等離子激發(fā)狀況不同， 因而最終的效果是同一波長(zhǎng)的光在正向和反向入射時(shí)的吸收率差別很大。 Au光柵上界面為Au/空氣， 下界面為Au/SiO2， 下方的SiO2層可以消除Au薄膜由于上下界面對(duì)稱而引起的共振模式簡(jiǎn)并， 從而非對(duì)稱的界面共振引起的吸收破壞了反射對(duì)易， 使得正反方向入射得到的反射率和吸收率不同。 而透射不會(huì)破壞這種對(duì)易性， 透射率保持相同。

對(duì)于圖3（a）中1.351 7 μm處和圖3（b）中1.351 5 μm處出現(xiàn)的吸收峰， 是由結(jié)構(gòu)的Wood異常造成的， 而圖3（a）中2.014 5 μm處和圖3（b）中2.011 3 μm處出現(xiàn)的吸收峰則是由有效折射率增大導(dǎo)致Au表面等離子光柵模式的移動(dòng)造成的。 圖3（c）和（d）分別為波長(zhǎng)1.55 μm的光正向入射、 反向入射超材料結(jié)構(gòu)單元時(shí)的磁場(chǎng)幅值分布， 很好地反映了結(jié)構(gòu)內(nèi)部模式耦合雜化導(dǎo)致的光吸收和結(jié)構(gòu)外的反射特性。

對(duì)于第一種超材料結(jié)構(gòu)， 本文還研究了入射光的角度變化對(duì)其吸收特性的影響。 圖4給出了光

在正向和反向入射時(shí)的ATR角譜， 顯示了當(dāng)光以0°附近的入射角反向入射時(shí)， 超材料結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出對(duì)光強(qiáng)烈的吸收， 吸收率大于90%的角度范圍小于0.3°。 而當(dāng)光以±8.6°的入射角正向入射時(shí)， 超材料結(jié)構(gòu)也體現(xiàn)出對(duì)光強(qiáng)烈的吸收， 吸收率大于90%的角度范圍小于0.03°。 在-10° ～ +10°的入射角范圍內(nèi)， 除了圖4所示高吸收的角度范圍之外， 光不管是正向入射還是反向入射， 超材料結(jié)構(gòu)均顯示出高反的特性。

為進(jìn)一步提高光吸收的性能， 設(shè)計(jì)并研究了 第二種超材料結(jié)構(gòu)——Au/SiO2多層光柵與SiO2波導(dǎo)光柵相套構(gòu)的結(jié)構(gòu)， 即把第一種結(jié)構(gòu)的Au光柵換成Au/SiO2重復(fù)的10層縱向光柵結(jié)構(gòu)， 其中Au厚度為5 nm， SiO2厚度為65 nm， 如圖5（a）所示， 同樣在1.55 μm的波長(zhǎng)處， 光正向入射時(shí)有一個(gè)顯著的吸收峰， 其吸收率高達(dá)98.7%， 峰寬度比為0.0033， 而在反向入射時(shí)， 吸收率僅為4.46%， 圖5（b）。 這種結(jié)構(gòu)的單向吸收和單向反射特性正好與第一種結(jié)構(gòu)相反， 即該結(jié)構(gòu)是正向吸收而反向反射， 依然是由不同界面表面等離子激發(fā)狀況不同造成的。 進(jìn)一步通過(guò)計(jì)算磁場(chǎng)幅值分布驗(yàn)證， 發(fā)現(xiàn)正向入射時(shí)在結(jié)構(gòu)中也形成了導(dǎo)模共振與表面等離子共振相耦合的超模， 使得結(jié)構(gòu)對(duì)光的吸收顯著增強(qiáng)， 圖5（c）。 而在反向入射時(shí)， 光有一小部分會(huì)在結(jié)構(gòu)中形成共振的效果， 但絕大部分被反射， 圖5（d）。

對(duì)入射光的角度變化給第二種超材料吸收特性的影響進(jìn)行研究。 圖6給出了光在正向和反向入射時(shí)的ATR角譜， 顯示了當(dāng)光以0°附近的入射角正向入射時(shí)， 超材料結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出對(duì)光強(qiáng)烈的吸收， 吸收率大于90%的角度范圍小于0.462°。 而當(dāng)光以±6.1°的入射角反向入射時(shí)， 該結(jié)構(gòu)也能體現(xiàn)出對(duì)光強(qiáng)烈的吸收， 吸收率大于90%的角度范圍小于0.102°。 同第一種超材料結(jié)構(gòu)類似， 在-10° ～ +10°的入射角范圍內(nèi)， 除了高吸收的角度范圍之外， 超材料結(jié)構(gòu)均顯示出對(duì)入射光高反的特性。

3 由吸收到輻射

表1對(duì)兩種超材料結(jié)構(gòu)的性能做了比較。 結(jié)果表明， 把單純的Au光柵換成由Au/SiO2多層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的光柵， 使整個(gè)超材料結(jié)構(gòu)的吸收率有所提升， 峰寬度比降低， 但0°附近吸收高于90%的角度范圍有所增加。 這兩種具有單向吸收單向反射特性的超材料有望應(yīng)用于信息處理， 且其高吸收率、 低峰寬度比和窄角度范圍的性能使其在反激光操作和隱身技術(shù)方面也有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

另外， 由基爾霍夫定理可知， 理想情況下的吸收等于輻射[28]， 因此等離子結(jié)構(gòu)的輻射譜可以通過(guò)本征熱輻射與角度相關(guān)的吸收相乘而預(yù)測(cè)[29]：

其中： R（λ，θ）是光以一定入射角θ入射時(shí)結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)； TR（λ）為無(wú)光柵時(shí)結(jié)構(gòu)的熱輻射。 該式意味著前面設(shè)計(jì)的兩種超材料結(jié)構(gòu)還具有高輻射率、 窄帶和高方向性輻射的特點(diǎn)。 第一種結(jié)構(gòu)為反向吸收正向反射， 可等效于正向輻射的單邊輻射， 第二種結(jié)構(gòu)為正向吸收反向反射， 等效于反向輻射， 但由于金屬層距上表面很近， 容易造成正向的泄漏輻射。 從定向熱輻射的效率來(lái)說(shuō)， 前一種結(jié)構(gòu)單邊輻射的效率較高。 就目前研究較多的可實(shí)現(xiàn)完美吸收的MIM結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)， 雖然也具有單向吸收和單向反射的特性， 但就輻射而言， 由于熱損耗較大， 定向輻射的效率不高。 因此， 所設(shè)計(jì)的第一種超材料結(jié)構(gòu)有利于器件的高效定向加熱和熱輻射型探測(cè)器。

就制備工藝而言， 這兩種超材料結(jié)構(gòu)只需在SiO2平板上刻蝕空氣槽， 通過(guò)磁控濺射鍍Au或雙靶共濺交替生長(zhǎng)Au和SiO2， 最后采用剝離的方式即可制備， 工藝相對(duì)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié) 論

本文構(gòu)建了金屬光柵和介質(zhì)波導(dǎo)光柵套構(gòu)的超材料結(jié)構(gòu)， 其對(duì)1.55 μm的光具有單向吸收和單向反射的性能。 而就輻射而言， 兩種結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)窄帶、 高方向性輻射， 且前一種結(jié)構(gòu)還具有單邊輻射的特性， 在高效定向加熱等諸多方面都有潛在的應(yīng)用價(jià)值。 這種套構(gòu)的超材料結(jié)構(gòu)結(jié)合了表面等離子體效應(yīng)與光子晶體效應(yīng)， 是未來(lái)構(gòu)建新型功能材料的發(fā)展方向之一， 在此基礎(chǔ)上的器件也將有望表現(xiàn)出更加優(yōu)異的性能。

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Metastructures Combined with Metal and Dielectric

Gratings： From Absorption to Radiation

Zhang Erlei1， Wang Yufei2， Zheng Wanhua2

（1. China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China； 2. Institute of Semiconductors， Beijing 100083， China）

Abstract： Most micronano-structure-based emitters are relatively broad-band and angle-insensitive. And double-side emission brings big loss and decreases emission efficiency. Here， unidirectional absorption and reflection of light in metastructure combined with hybridized one dimensional dielectric and metal photonic crystal， i.e. grating， are investigated. The potential applications in engineering thermal emission are discussed. Moreover， another metastructure composed of nested dielectric/metal multilayer grating and SiO2 waveguide grating is also proposed to increase absorption efficiency and narrow bandwidth， and thus improves emission performance related with absorption. These metastructures merge SPR effect and photonic crystal effect， forming one of the future development directions of constructing new functional materials. On the basis of the scheme， the device will be expected to exhibit better performances.

Key words： metastructure； absorption； thermal emission； grating； combination