基于PDMS薄膜的等離子體光柵仿真分析

陳壯壯，王志斌，李克武，吳笑男

（中北大學(xué) 理學(xué)院 山西省光電信息與儀器工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030051）

引言

光柵（grating）屬于應(yīng)用廣泛的光學(xué)元件，在光學(xué)傳感、集成光路、光信息處理、光通信等光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域都呈現(xiàn)了舉足輕重的作用。目前，該元件主要運(yùn)用在納米級別。國內(nèi)外對于新型的光學(xué)元件納米級光柵在生物傳感、光子晶體[1-3]等多領(lǐng)域都有深入的研究和探討。

在柔性器件領(lǐng)域，柔性電子設(shè)備主要有兩類，其中有機(jī)半導(dǎo)體[4-6]占比最高。而在制備其他的柔性元件時，則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結(jié)構(gòu)類體系材料。PDMS 薄膜不僅拉伸性能良好，且具有親膚性和無毒性。因此，PDMS薄膜作為柔性材料的代表受到了大家的青睞，被廣泛應(yīng)用在柔性電子設(shè)備和可穿戴設(shè)備[8]之中。在這些應(yīng)用中，作為柔性支撐材料是PDMS 薄膜本身最常見的作用。

本文選用時域有限差分（finite difference time domain，F(xiàn)DTD）法，通過相關(guān)仿真軟件FDTD Solutions，建立一種以PDMS 薄膜為基板的具有周期邊界條件的二維金屬等離子體光柵仿真結(jié)構(gòu)。通過對光柵施加應(yīng)力，改變PDMS 薄膜等離子體光柵的參數(shù)（即周期、占空比及Au 膜厚度），并對其進(jìn)行設(shè)計仿真和理論計算。通過對其共振波長特性的探究，本文提出了對應(yīng)力最為敏感的等離子體光柵結(jié)構(gòu)。最后將仿真結(jié)果與理論數(shù)值做對比，并計算出相對誤差的大小。

1 基本原理

1.1 等離子體光柵理論模型

等離子體作為一種比較特殊的物質(zhì)狀態(tài)，是由高密度且呈均等分布狀態(tài)的兩種帶電自由粒子所構(gòu)成的[9]，它本身不會產(chǎn)生空間電荷，對外也不顯電性。基于光柵耦合的原理，能夠引起表面等離子體波，其示意圖如圖1 所示。當(dāng)光波（包括極化光p）進(jìn)入光柵表面的電介質(zhì)時，光柵本身的周期結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致一系列衍射。衍射光線被反射的同時，按照不同的衍射角進(jìn)行衍射，繼而出現(xiàn)不同的衍射級次。當(dāng)某一級次的波向量與表面等離子體波的波向量在界面方向上的投射相一致時，表面等離子體波便可以在光柵表面激發(fā)[9]。

圖1 光柵耦合模型Fig.1 Grating coupling model

對于入射角為θ的光，在基板和空氣中傳播的衍射級數(shù)與基板表面平行的衍射波的波長λ為

式中：n1為PDMS 基底的折射率；n2為空氣的折射率；m為任意整數(shù)，對應(yīng)不同衍射級次，m＞0 時（1）式、（2）式取正，m＜0 時取負(fù)；p為光柵周期。（1）式和（2）式分別為等離子體光柵反射和透射時衍射級數(shù)與波長的關(guān)系。

1.2 表面等離子體共振原理

眾所周知，自由電子存在于金屬內(nèi)部的同時，也大量存在于其表面，且組成獨(dú)立的自由電子團(tuán)，也就是等離子體（plasmon）；另一方面，將存在于金屬表面高活性的自由電子團(tuán)定義為表面等離子體。當(dāng)入射光照射到金屬表面時，會與它產(chǎn)生的自由電子團(tuán)振動頻率相同從而引起共振，便產(chǎn)生了表面等離子體共振[10]（surface plasmon resonance，SPR）。與SPR 一樣，光和電子的相互作用也可以產(chǎn)生局域表面等離子體共振（localized surface plasmon resonance，LSPR）。當(dāng)光束照射到金屬表面時，金屬表面的自由電子迅速激發(fā)，并與入射光中的光子以一致的頻率在晶格中共振[11]，在光譜上顯示出紫外可見光范圍內(nèi)的強(qiáng)共振吸收或散射峰。而對于金納米材料，LSPR 特性明顯改變的直觀表現(xiàn)是峰值和顏色的變化，因而可以在傳感器[12]等眾多領(lǐng)域中發(fā)揮關(guān)鍵的作用。

表面晶格共振是由金屬顆粒的局域表面等離激元與瑞利反常[13]（rayleighabnormal，RAs）產(chǎn)生衍射耦合引起的。瑞利反常，這是由平行于基板表面的衍射階數(shù)疊加和來自單個納米線的局域表面等離子體共振（LSPR）引起的。瑞利反常產(chǎn)生時，某些衍射級次對應(yīng)的衍射角恰好為90°，意味著它們處于倏逝波[8]或傳播波（不附帶能量或附帶有能量）的臨界狀態(tài)。

由光柵方程可知，假設(shè)光柵常數(shù)[8]為a，空氣中的入射光照射到光柵上的角度為θ，ε1代表金薄膜的介電常數(shù)，ε2代表空氣介電常數(shù)，沿光柵表面產(chǎn)生SPPs[8]的條件可以寫成：

式中：g為光柵波矢，且g=2π/a，ω=2π/λ；m表示衍射級次。

當(dāng)光柵常數(shù)和入射角合適時，金屬表面可產(chǎn)生SPPs 波。這種激發(fā)表面等離子體共振的方式適用于金屬/電介質(zhì)界面和空氣/金屬界面[14]。通過計算（2）式和（3）式，可以得出等離子體光柵透射時所產(chǎn)生的共振波長λspp為

式中：p和n1分別表示光柵的周期和基底的折射率。

1.3 PDMS 等離子體光柵應(yīng)力應(yīng)變原理

由胡克彈性定律[15-16]可知，物體在彈性區(qū)間內(nèi)所受的外力與它單向拉伸的變量成線性關(guān)系，即應(yīng)力σ和應(yīng)變ε成正比：

式中：E 為彈性模量或楊氏模量[16]。

在本文中，我們采用FDTD Solutions 模擬分析了PDMS 基板上的等離子體晶格光柵的視向光學(xué)響應(yīng)。光柵所用的材料為金，一般而言，金、銀等金屬材料都可以用來制作光柵，但是銀在制作過程中容易發(fā)生氧化，在其表面形成一種氧化膜，從而會對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響。因此，從光學(xué)特性來看我們選擇了金作為PDMS 光柵的材料。

對等離子體光柵沿柵線方向施加壓力，改變等離子體光柵參數(shù)，當(dāng)壓力變大時，光柵的周期、占空比都會不斷減小，金膜厚度則隨著壓力的增大而逐漸增大。本文中將通過仿真等離子體光柵的透射率來觀察光柵參數(shù)變化時對光柵共振吸收峰的影響，并得出光柵參數(shù)對光柵應(yīng)力的響應(yīng)敏感程度；其次將仿真所得結(jié)果與理論計算值作比較得出相對誤差的大小。

2 等離子體光柵仿真模型結(jié)構(gòu)設(shè)計

FDTD Solutions 是一款對微結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真設(shè)計分析的高性能軟件。該軟件能經(jīng)過腳本語言構(gòu)建任何形狀的二維和三維結(jié)構(gòu)，借助軟件提供的綜合數(shù)據(jù)分析和作圖，可以很快地解決問題。此外，F(xiàn)DTD Solutions[17]可以根據(jù)本文設(shè)計模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行選取，可以用來建立仿真周期性光柵結(jié)構(gòu)，并對簡化的二維模型進(jìn)行設(shè)計分析。用FDTD 仿真光柵，需要建立物理模型、定義仿真區(qū)域、設(shè)置光源和監(jiān)視器，最后進(jìn)行運(yùn)行及分析。

我們用FDTD 建立了具有邊界周期條件的yz平面等離子體晶格光柵的視向光學(xué)響應(yīng)的二維模型。如圖2 所示，已知PDMS 基底的折射率n1為1.55，空氣介質(zhì)中的折射率n2設(shè)置為1，光柵的材料是Au，用p表示光柵周期，用h表示刻槽深度，其中金膜的厚度為b，PDMS 寬度為w，平面波斜入射時的角度為θ，光柵的占空比f=w/p。

圖2 光柵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of grating structure

光柵上的光沿y方向線性極化，考慮到模擬的光柵在結(jié)構(gòu)上屬于周期性，因此在仿真中豎直方向結(jié)構(gòu)為無限周期邊界條件，選擇完全邊界條件[18-20]將照射的電磁波全部吸收無反射，水平方向結(jié)構(gòu)則采用周期邊界條件。設(shè)置周期性邊界條件后，建立仿真區(qū)域時只需對其中一個周期進(jìn)行建模，便可實現(xiàn)對整個周期排列的結(jié)構(gòu)進(jìn)行電磁場仿真分析[21]，極大地提高了工作效率。

3 仿真結(jié)果與理論對比

3.1 周期改變對等離子體光柵共振峰的影響

光從空氣向PDMS 薄膜光柵入射時，此時光入射的角度θ為50°?？紤]光的入射波長范圍為0.4 μm～1.5 μm，PDMS 寬 度w為0.25 μm，光 柵 槽 深h為0.12 μm，其中金膜厚度b為0.02 μm，占空比f為50%。本仿真中光柵周期p的取值范圍為0.4 μm～0.7 μm，步長為0.05 μm，用FDTD Solutions 進(jìn)行仿真得到的透過率結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同周期的共振譜Fig.3 Resonance spectrum of different periods

由圖3 可知，在波長相同的入射光條件下，不同周期激發(fā)產(chǎn)生表面等離子體共振峰的位置不同。其次，當(dāng)周期從0.4 μm～0.45 μm 變化時，光柵的共振峰光譜發(fā)生了紅移，共振深度逐漸增加，共振半峰寬度逐漸減??；但當(dāng)周期在0.45 μm～0.7 μm區(qū)間內(nèi)時，共振峰光譜又發(fā)生紅移，共振深度逐漸縮小，共振半峰寬度隨之遞減，但其激發(fā)的等離子體光柵共振吸收峰的波長隨著周期變大而逐漸增大，且周期每增大0.05 μm，對應(yīng)的共振峰波長增加0.1 μm。圖3 可以看出周期在0.65 μm～0.7 μm時，透射率變化最明顯，在0.7 μm 時共振峰最尖銳，共振半峰寬度最窄，因此對應(yīng)力響應(yīng)最敏感的周期為0.7 μm。

圖4 表明了共振波長與周期的變化關(guān)系，通過（2）式計算可得周期為0.4 μm，0.45 μm，0.5 μm，0.55 μm，0.6 μm，0.65 μm，0.7 μm 時的共振波長分別為0.704 μm，0.792 μm，0.88 μm，0.918 μm，1.056 μm，1.144 μm，1.232 μm，可知理論數(shù)值與仿真所得結(jié)果都吻合，其中周期為0.7 μm 時共振波長為1.251 μm，相對誤差為1.5%。

圖4 共振波長與周期的變化關(guān)系Fig.4 Change relationship between resonance wavelength and period

3.2 金膜厚度改變對等離子體光柵共振峰的影響

不同金膜厚度會影響金屬性能，當(dāng)金膜厚度較薄時，其表面電子濃度低，會導(dǎo)致SPR 響應(yīng)不明顯。只有金膜厚度一定、形成均勻平滑的薄膜層時，產(chǎn)生SPR 現(xiàn)象才更為穩(wěn)定。如果金膜厚度再逐漸增加，那么光譜曲線中的諧振共振峰耦合深度會變淺。

本文中設(shè)置其余條件不變，取p=0.7 μm，f=50%，將金膜厚度b的取值范圍設(shè)置為0.01 μm～0.07 μm，步長為0.01 μm，用FDTD Solutions 仿真得到的透過率結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同金膜厚度的共振譜Fig.5 Resonance spectrum with different gold film thicknesses

其中圖5 中的嵌圖為光柵金膜厚度改變時共振波長的局部放大圖。光柵周期為0.7 μm 時，由嵌圖可知，金膜厚度小于0.02 μm 時，共振深度增大，等離子體光柵共振波長隨之增大；金膜厚度大于0.02 μm 時，個別數(shù)據(jù)除外，共振深度逐漸增大，共振波長大小基本不變，且金膜厚度從0.01 μm～0.02 μm 變化時，共振吸收峰的深度增大得最為明顯。同時金膜厚度為0.02 μm 時，光柵的共振深度最深，共振半峰寬度最窄。因此可得金膜厚度為0.02 μm 時，對應(yīng)力的響應(yīng)最為敏感。

圖6 表明了共振波長和金膜厚度的變化關(guān)系，可知光柵周期為0.7 μm 時，F(xiàn)DTD 仿真所得的共振波長為1.25 μm，與理論值對比后，其相對誤差是1.4%。

3.3 占空比改變對等離子體光柵共振峰的影響

其余參數(shù)保持不變，光柵周期p設(shè)置為0.7 μm，金膜厚度b為0.02 μm，占空比f的取值范圍為35%～65%，步長為5%，用FDTD Solutions 仿真得到的透過率結(jié)果如圖7 所示。

圖6 共振波長和金膜厚度的變化關(guān)系Fig.6 Change relationship between resonance wavelength and gold film thickness

圖7 不同占空比的共振譜Fig.7 Resonance spectrum with different duty cycle

其中圖7 中的嵌圖為光柵占空比改變時共振波長的局部放大圖。光柵周期為0.7 μm 時，由嵌圖可知，光柵占空比的變化并不會引起共振波長的改變。當(dāng)占空比小于55%、f增加時，共振深度變深；當(dāng)占空比大于55%時，共振深度變淺；當(dāng)占空比等于55%時，共振半峰寬度最窄。因此在SPR測量中，占空比為55%時對應(yīng)力的響應(yīng)最為敏感。

圖8 表明了共振波長和占空比的變化關(guān)系，可知光柵周期為0.7 μm 時，F(xiàn)DTD 仿真所得的共振波長為1.254 μm，與理論值對比后，其相對誤差是1.7%。

圖8 共振波長和占空比的變化關(guān)系Fig.8 Change relationship between resonance wavelength and duty cycle

4 結(jié)論

本文利用PDMS 薄膜優(yōu)越的拉伸特性，提出了一種以PDMS 薄膜為基底的具有周期性邊界條件的金屬等離子體光柵結(jié)構(gòu)。借助FDTD Solutions光學(xué)仿真軟件，通過對等離子體光柵施加應(yīng)力，得出了光柵周期、占空比及金膜厚度改變時對等離子體光柵共振峰波長的影響以及對力的響應(yīng)敏感程度。結(jié)果表明，當(dāng)金膜厚度b和占空比f一定時，周期p為0.7 μm 的等離子體光柵的共振半峰寬度最窄，共振峰最尖銳；當(dāng)占空比f和周期p一定時，金膜厚度b為0.02 μm 的光柵的共振深度最深，共振半峰寬度最窄；當(dāng)金膜厚度b和周期p一定時，占空比f為55%的光柵的共振深度最深，共振半峰寬度最窄。

綜上所述，當(dāng)光柵周期p=0.7 μm，占空比f=55%，金膜厚度b=0.02 μm 時，對光柵施加應(yīng)力所產(chǎn)生的響應(yīng)最為敏感；其次，將仿真所得的不同周期時的共振峰波長與理論計算值相比較可知，二者結(jié)果相吻合。并且當(dāng)周期為0.7 μm 時，共振吸收峰的波長為1.251 μm，理論與仿真所得結(jié)果的相對誤差都小于2%。該方法可以為傳感器、光譜儀等光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域提供參考。