金屬納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)介質(zhì)光吸收的研究

王巧霞 薛娓娓 陳婷

摘 要：根據(jù)表面等離子體激元（Surface Plasmon Polaritons，SPPs）的相關(guān)理論，基于SPPs的金屬納米聚焦結(jié)構(gòu)能突破衍射極限，使電磁場(chǎng)空間局域增強(qiáng)，極大地提高光源的光子流量，進(jìn)而增強(qiáng)介質(zhì)光吸收能力的特性。SPPs獨(dú)特的光學(xué)特性，使其在太陽(yáng)能電池、發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）以及光電探測(cè)器等領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：表面等離子體激元（SPPs）;透射增強(qiáng);光束聚焦

中圖分類號(hào)：O485文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）17-0119-03

Study on Metal Nanostructures Enhancing Optical Absorption of Medium

WANG Qiaoxia XUE Weiwei CHEN Ting

（College of Xi'an Innovation， Yan'an University，Xian Shaanxi 710100）

Abstract： This thesis analyses metal nano-focusing structure according to the theory of Surface Plasmon Polaritons（SPPs） ，the metal nano-focusing structure can break the diffraction limit，and enhance the local electromagnetic field，and increase greatly the photon flux of light source，then enhance the optical absorption capacity of the mediun. SPPs special optical properties have potential application value in the fields of solar cells、LED、photodetector and so on.

Keywords： Surface Plasmon Polaritons（SPPs）;transmissionen hancement;beam focusing

隨著納米科學(xué)與微加工技術(shù)的迅速發(fā)展，光學(xué)研究已經(jīng)進(jìn)入了微納時(shí)代。基于表面等離子體激元（Surface Plasmon Polaritons，SPPs）的光電子器件能夠?qū)⒐獠ㄊ`在納米尺度的區(qū)域內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)超越衍射極限的光能量傳輸和光場(chǎng)調(diào)控。因此，納米光子學(xué)在光刻技術(shù)、納米光學(xué)成像、生化傳感以及新型光源等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。光在通過金屬薄膜上的二維亞波長(zhǎng)孔徑陣列時(shí)會(huì)產(chǎn)生透射增強(qiáng)效應(yīng)，即超透射現(xiàn)象（Extraordinary Optical Transmission，EOT）。 經(jīng)研究，超透射現(xiàn)象是由金屬表面等離子體激元的共振激發(fā)和耦合引起的透射增強(qiáng)現(xiàn)象。應(yīng)用SPPs空間局域和近場(chǎng)增強(qiáng)的性質(zhì)，在半導(dǎo)體吸收層背面鍍上金屬膜。入射光激發(fā)的SPPs沿金屬-半導(dǎo)體界面?zhèn)鞑?，入射光的大部分能量耦合到表面等離子體波，反射光的能量就會(huì)相應(yīng)地減少，使得金屬納米結(jié)構(gòu)就像光學(xué)天線一樣把電磁能量聚集在納米尺寸的空間里。因此，SPPs在半導(dǎo)體吸收層能有效地陷光和導(dǎo)光，提高介質(zhì)材料光吸收的能力。SPPs透射增強(qiáng)的關(guān)鍵在于入射波同SPPs波能夠達(dá)到匹配，可以通過構(gòu)造表面褶皺、凹陷、光柵等結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

1 局域表面等離子體激元增強(qiáng)透射

1.1 納米金屬顆粒

表面等離子體激元是指由外部電磁場(chǎng)（光波）誘導(dǎo)金屬表面的自由電子發(fā)生集體共振的行為。它既可以局限在金屬納米粒子里，也可以沿金屬表面?zhèn)鞑ァ０此拇嬖诜绞?，大致可分為局域表面等離子體激元和表面等離子體極化激元兩類。當(dāng)金屬制備成尺寸接近或小于光波波長(zhǎng)的納米顆粒，且金屬顆粒與光子發(fā)生相互作用時(shí)，金屬顆粒的電子云相對(duì)于核心發(fā)生位移，電子云與核心間的庫(kù)侖引力作用產(chǎn)生恢復(fù)力將引起電子云振蕩，導(dǎo)致粒子內(nèi)部和外部近場(chǎng)區(qū)域的場(chǎng)放大，這種現(xiàn)象被稱為局域表面等離子體激元。它的振蕩頻率主要由金屬顆粒的大小、形狀、材料以及介質(zhì)環(huán)境等因素決定。當(dāng)電磁波與納米金屬粒子相互作用時(shí)，載流電子與電磁場(chǎng)耦合會(huì)產(chǎn)生共振效應(yīng)。金屬顆粒對(duì)光波有較強(qiáng)的吸收和散射能力。局域表面等離子體激元在這種情況下不能傳播，但可以向周圍輻射電磁波。該電磁場(chǎng)被局限在亞波長(zhǎng)尺寸范圍內(nèi)，可以將發(fā)散的電磁能量高度匯聚在金屬納米結(jié)構(gòu)的近場(chǎng)區(qū)域。

1.2 納米金屬粒子陣列

實(shí)際應(yīng)用中，等離子體激元不會(huì)僅涉及單個(gè)粒子，而是在大量的粒子群形成的納米金屬粒子陣列發(fā)生中場(chǎng)耦合。在太陽(yáng)能電池吸收層的材料內(nèi)部植入小球、橢球、圓柱或球殼等形狀的金屬納米顆粒陣列，通過局域表面等離子體激元形成“光陷阱”法，可以捕獲更多的太陽(yáng)光，并局限在光電轉(zhuǎn)化材料內(nèi)部。這既增加了光子入射率，又增強(qiáng)了電池光電轉(zhuǎn)化材料上的光強(qiáng)度，大大提高了光電轉(zhuǎn)化的效率[1]。

2 表面等離子體極化激元增強(qiáng)透射

2.1 周期性結(jié)構(gòu)的金屬光柵

根據(jù)麥克斯韋電磁理論，當(dāng)橫磁波照射到有亞波長(zhǎng)金屬狹縫、金屬孔或光柵結(jié)構(gòu)修飾的金屬薄膜上時(shí)，金屬膜表面的微結(jié)構(gòu)可以提供波矢補(bǔ)償，激發(fā)表面等離子體激元[2]。小孔-凹槽和狹縫-凹槽是基本的增強(qiáng)透射單元結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖1（a）為在納米厚度的金屬膜上制作的小孔，小孔被周期性的同心圓凹槽結(jié)構(gòu)環(huán)繞。金屬膜的入射面和出射面刻有同樣的周期性結(jié)構(gòu)。圖1（c）的結(jié)構(gòu)是在納米厚度的金屬膜上刻蝕一條狹縫，在狹縫兩邊的入射面和出射面上都刻有周期性凹槽形成光柵。特定波長(zhǎng)的入射光直射到該周期性結(jié)構(gòu)上可激發(fā)SPPs，并產(chǎn)生透射增強(qiáng)效應(yīng)。出射面的周期性結(jié)構(gòu)用以控制出射光束的方向和能量。圖1（b）和圖1（d）分別為小孔-凹槽和狹縫-凹槽金屬結(jié)構(gòu)用光學(xué)顯微鏡得到的相應(yīng)光場(chǎng)分布照片。照片顯示，這兩種周期性金屬納米結(jié)構(gòu)可以很好地匯聚出射光，從而增強(qiáng)透射能量。

由于金屬表面等離子激元波的作用，光依然可以從納米尺寸的微型孔中傳播透射出來(lái)。周圍的凹槽將SPPs波衍射，使之成為輻射光。對(duì)各個(gè)凹槽所衍射的光在自由空間中進(jìn)行干涉加強(qiáng)，形成光聚焦。同理，在狹縫-凹槽結(jié)構(gòu)中，當(dāng)SPPs波從狹縫出口處向兩側(cè)表面?zhèn)鞑r(shí)，凹槽的存在能夠影響相應(yīng)位置能量的存儲(chǔ)和再釋放。當(dāng)平面波垂直入射到亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)不斷地向凹槽內(nèi)存儲(chǔ)能量，之后經(jīng)過不斷反射再?gòu)陌疾蹆?nèi)釋放出來(lái)。從凹槽再釋放的部分能量通過狹縫透射，與狹縫中的SPPs相互耦合，能夠?qū)崿F(xiàn)透射增強(qiáng)[3]。

在金屬薄膜的表面刻寫光柵，利用光柵的衍射光增加一個(gè)額外的波矢量，就可以使入射光的波矢量與SPPs波相匹配，在金屬薄膜表面激發(fā)SPPs波。CHEN等人在銀納米薄膜上加工了一系列同心圓環(huán)狹縫，然后用徑向偏振光照射結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了SPPs聚焦效應(yīng)[4]。整個(gè)聚焦光束對(duì)于金屬膜表面都是P偏振，因此可以大大提高SPPs的激發(fā)效率和光子能量的利用率。

2.2 介質(zhì)輔助SPPs增強(qiáng)

在介質(zhì)材料上通過剝離、化學(xué)腐蝕等成熟工藝加工出各種微納結(jié)構(gòu)[5]。當(dāng)入射光的入射角大于臨界角時(shí)，會(huì)在介質(zhì)材料（棱鏡）和金屬界面處發(fā)生全反射并產(chǎn)生消逝波。該消逝波的波矢量大于原光波的波矢量，當(dāng)對(duì)入射光的相位進(jìn)行預(yù)先調(diào)制后，經(jīng)過調(diào)制的光照射金屬納米結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生SPPs波。圖2（a）為金屬Ag膜直接鍍?cè)谌廴谑⒗忡R表面組合的聚焦結(jié)構(gòu)。光正入射到棱鏡上，經(jīng)折射進(jìn)入金屬-棱鏡交界面。當(dāng)入射光角度大于臨界角時(shí)，光會(huì)發(fā)生全發(fā)射并產(chǎn)生倏逝波[kH=nk0sinθ]，其中n為棱鏡的折射率，k0為入射光波矢量，[θ]為入射角。該倏逝波的波矢量大于原光波的波矢量。圖2（b）為通過時(shí)域有限差分法（Finite-Difference Time-Domain，F(xiàn)DTD）對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行2D計(jì)算仿真后得到的聚焦光束的光場(chǎng)分布。通過石英棱鏡耦合產(chǎn)生波矢量增量，倏逝波的波矢量與SPPs波矢量相匹配，將引起Ag金屬膜表面電子的共振，形成SPPs波光束聚焦增強(qiáng)效應(yīng)。

金屬-介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)除了金屬-棱鏡結(jié)構(gòu)外，還有由金屬狹縫-平凸透鏡組成的結(jié)構(gòu)。當(dāng)入射光正照射到該結(jié)構(gòu)時(shí)，進(jìn)入平凸透鏡的光波會(huì)發(fā)生改變，使光束匯聚，在到達(dá)金屬狹縫時(shí)就會(huì)激發(fā)SPPs。該波在狹縫中以傳輸模式到達(dá)出射端。金屬狹縫參數(shù)相同，因此不會(huì)引起各個(gè)狹縫中SPPs間的相位延遲，只起到激發(fā)SPPs的作用;而平凸透鏡會(huì)導(dǎo)致光的相位不同，要提供光束聚焦所需要的相位條件，因此在離開狹縫后SPPs將形成光聚焦，增強(qiáng)光的透射效果。LEE等提出把金屬與介質(zhì)材料相結(jié)合，以提高微納結(jié)構(gòu)的精度，有利于該聚焦結(jié)構(gòu)和其他介質(zhì)光子器件的結(jié)合[6]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在金屬狹縫陣列中加入非線性材料，這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)光束的偏轉(zhuǎn)和聚焦的動(dòng)態(tài)控制。

3 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池主要依靠晶體硅等半導(dǎo)體材料實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，雖然具有效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但制作工藝復(fù)雜、成本過高等一直限制了其大規(guī)模應(yīng)用推廣。為了使太陽(yáng)能電池能夠得到廣泛應(yīng)用，要提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，研究如何降低其成本。薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)超薄，用料少，工藝簡(jiǎn)單，具有很大的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。隨著納米加工技術(shù)的日趨成熟，金屬納米結(jié)構(gòu)在入射光的照射下會(huì)形成表面等離子體效應(yīng)，把光束從三維“壓縮”到二維金屬-介質(zhì)界面上，有效增強(qiáng)薄膜太陽(yáng)能電池吸收層的陷光作用，增強(qiáng)其光吸收率，從而提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率[7]。可見，金屬納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)介質(zhì)光吸收的研究對(duì)太陽(yáng)能電池的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。

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