長波紅外高透射率二維光子晶體設計及應用研究

王 朝,張 軼,王 晗,安澤琳,王 超,王如志

(1.北京工業(yè)大學材料與制造學部,新能源材料與技術研究所,新型功能材料教育部重點實驗室,北京 100124;2.華北光電技術研究所,北京100015)

1 引 言

在紅外探測方面,紅外光的透過率對紅外探測器性能其決定性作用,如何提高紅外探測器上光子的吸收率是目前紅外探測技術發(fā)展的一個重點[1-3]。傳統上提高光學元件透射率的方式是在光學元件表面上覆蓋一層甚至多層減反膜來增加光的透射率,從而達到抑制反射損耗提高光學元件的透射率[4-6]。但由于增透減反膜與涂層材料存在物理化學性質的限制,存在粘附性、熱失配和穩(wěn)定性不足等問題[7],如何降低光學元件的反射率提高光的透射率,具有非常重要的研究價值和科學意義。

光子晶體是在光學表面直接加工微納結構[8],從而達到增透性能,該方式能夠具有更好的穩(wěn)定性和耐久性,并且具有更多的可協調參數例如特征高度、幾何形狀和陣列周期等,具有更優(yōu)秀的靈活性,并且能夠在寬光譜大角度范圍內實現增透,具有超強親水性和自清潔能力[9,10]。經歷了30多年的發(fā)展光子晶體被認為是一種非常有效的增透結構,通過刻蝕得到的周期性陣列結構可以實現在一定波段的增透效果[11,12]。光子晶體的設計來源期初來源于仿生學,1962年,C.G.Bernhard與W.H.Mille等人發(fā)現一些昆蟲的復眼結構具有增透性質[13],1973年W.H.Mille團隊成功制作出類似于蛾眼的類光子晶體結構[14],發(fā)現該結構能有效的增強透射光,隨后人們對光子晶體微結構進行了不斷拓展與深入研究[15]。2017年,張東亮等人設計了陷光型光子晶體,使得碲鎘汞探測器量子效率提升了近20 %[16]。2019年,李巖等人設計了雙周期嵌套微結構在2.4～12 μm的超寬波長范圍內透射率均高于96.5 %,在中長波實用波段范圍內平均透射率高于99 %[17]。2021年,林曉敏等人設計了單層金屬線柵結構,實現了在中波紅外3～5 μm波段的透射率為89.1 %,同年楊勇等人設計了一種新型苞狀蛾眼光子晶體結構,實現了在3～12 μm波段的透射率高達99.8 %[18]。可惜的是目前光子晶體結構復雜,制備難度高;一些復雜的光子晶體設想來源于仿生學,對設計新型光學晶體借鑒性低。

基于此,本文探究了以ZnS材料為研究對象的幾種常見幾何結構,如長方體、圓柱、六棱柱和金字塔在紅外波段8～10 μm的透射率,并探究了其尺寸變化對透射率的影響。設計了一種金字塔陣列結構,金字塔單元與相鄰金字塔單元間隙在一定范圍內,平均光透射率在98 %以上,最后探究了不同HgCdTe厚度和不同溫度環(huán)境下對ZnS光子晶體透射率的影響。本文將為設計光子晶體和光學器件設計提供一定的借鑒意義。

2 光子晶體增透率計算原理與模型構建

2.1 光子晶體增透率計算原理

本文光子晶體仿真使用了時域有限差分法(FDTD)[19],從麥克斯韋方程出發(fā)并借助吸收邊界條件,在有限的區(qū)域內模擬求解空間的電磁場問題。從麥克斯韋方程組中兩個旋度方程出發(fā):

(1)

(2)

當介質為各向同性時,用σm表示等效磁阻率,則:

(3)

此時,麥克斯韋旋度方程可以在直角坐標系中展開為:

(4)

(5)

對式(4)和式(5)這兩組方程進行差值離散,對電磁場的各分量的空間節(jié)點和時間步按約定取值,并采用平均值近似,即可求解所有電場和磁場分量關于時間和空間的差分形式。

2.2 光子晶體仿真模型構建

在光學元件表面制備周期性光子晶體并對其進行數值計算,所建立的單元微結構尺寸相同,當一束平行光入射至光學元件表面時,各微結構所發(fā)生的光學效應完全一致,因此提出對單一微結構分析以反應出元件整體的性質。本文采用的光子晶體模型如圖1所示(以正方體光子晶體結構為例),設定X和Y方向周期性(Periodic),將設計光子晶體陣列問題轉化為仿真單個光子晶體元件。仿真區(qū)域的各種結構如圖1中的標注所示,包括仿真區(qū)域、光源、光子晶體、基底材料和監(jiān)視器。

圖1 光子晶體仿真模型示意圖

仿真參數設定如表1所示,監(jiān)視器在光子晶體與基底材料界面向下0.01 μm處,用于測量光子晶體透射率。其他參數在具體仿真部分再討論。

表1 仿真環(huán)境設定

本文對ZnS光子晶體進行模擬仿真,其介電常數n= 2.35。探索了幾種常見幾何形狀的光子晶體,設計了一種透射率的光子晶體陣列結構,最后探究了基底材料HgCdTe厚度和低溫環(huán)境77 K對光子晶體增透效率的影響。探索的光子晶體結構參數如表2所示。

表2 研究的光子晶體材料和結構尺寸

3 ZnS光子晶體增透率仿真

本節(jié)中,探究了幾種常見幾何形狀的ZnS光子晶體在紅外長波8～10 μm波段對基底材料HgCdTe的增透作用,HgCdTe襯底厚度為10 μm。

3.1 ZnS長方體光子晶體透射率仿真

ZnS長方體長和寬為4 μm,設置X和Y方向為周期邊界,周期為4 μm,即對于長方體光子晶體增透仿真等同于單層ZnS薄膜。ZnS的仿真高度變化范圍為1～10 μm,步長為1 μm。ZnS長方體高度的平均透射率的仿真結果如圖2所示。ZnS長方體光子晶體厚度為1 μm時透射率最高,最高平均透射率為92.8 %。隨著長方體厚度增加,透射率出現波動變化,這是由于光在薄膜上發(fā)生干涉現象,隨著薄膜厚度增加,光在相干加強和相干削弱之間變化的結果。

圖2 仿真模型及光子晶體厚度對平均透射率的影響

3.2 ZnS圓柱體光子晶體透射率仿真

ZnS圓柱體直徑為4 μm,周期范圍4 μm,相比與長方體結構每個圓柱單元之間有一定的間隙。ZnS圓柱體的仿真高度變化范圍為1～10 μm,步長為1 μm,ZnS圓柱體仿真結構如圖3(a)所示。圓柱體的透射率仿真結果如圖3(b)所示,其中ZnS圓柱體高度為1 μm時平均透射率最高,最高平均透射率為95.8 %。相比與正方體結構,ZnS圓柱體之間的間隙結構可以產生一定的光陷阱效應,減少對光的反射,增加透射率。

圖3 仿真模型及光子晶體高度對平均透射率的影響

3.3 ZnS六棱柱體光子晶體透射率仿真

ZnS六棱柱體邊長為2 μm,周期范圍4 μm。ZnS六棱柱體仿真結構如圖4(a)所示,相比與直徑為4 μm圓柱體結構面積略小,每個六棱柱單元之間間隙略大一些,六棱柱相對于圓柱體的俯視圖如圖4(a)右上角插圖所示。ZnS六棱柱體的仿真高度變化范圍為1～10 μm,步長為1μm。六棱柱體的平均透射率仿真結果如圖4(b)所示,ZnS六棱柱體高度為1 μm時平均透射率最高,最高平均透射率為95.3 %。與圓柱體相比,六棱柱體的透射率整體略低一些。

圖4 仿真模型及光子晶體高度對平均透射率的影響

3.4 ZnS金字塔結構光子晶體透射率仿真

金字塔結構是最常見的光陷阱結構,該結構有較好的增透性,在太陽能電池中有廣泛應用。ZnS金字塔底邊邊長為4 μm,周期范圍4 μm。ZnS金字塔仿真結構如圖5(a)所示,ZnS金字塔的仿真高度變化范圍為1～10 μm,步長為1 μm。ZnS金字塔結構的平均透射率仿真結果如圖5(b)所示,ZnS金字塔高度為3 μm時平均透射率最高,最高平均透射率為98.4 %。與長方體、圓柱體和六棱柱體相比,金字塔結構的最佳平均透射率高于其他光子晶體結構。這是由于金字塔結構能多次反射入射光,減少光逃逸出表面的幾率。如果金字塔高度太低,反射光不能反射到相鄰的金字塔上;金字塔高度太高存在光吸收和光干涉等問題。

圖5 仿真模型及光子晶體高度對平均透射率的影響

3.5 ZnS金字塔陣列結構光子晶體透射率仿真

通過探究發(fā)現ZnS金字塔光子晶體的透射率最好。最后我們探究了ZnS金字塔陣列的增透效果。在ZnS金字塔列陣中,ZnS金字塔結構選取上述探索中透射率最高的結構單元,底邊邊長為4 μm,高為3 μm。周期范圍從4 μm逐漸增加到5 μm,步長為0.1 μm。ZnS金字塔陣列的仿真結構如圖6(a)所示,圖中的插圖表示周期邊界的變化情況。ZnS金字塔陣列結構的平均透射率仿真結果如圖6(b)所示,當金字塔之間的間隙為0.1 μm時,平均透射率最大,最大平均透射率為98.45 %。另外金字塔陣列間隙在0～0.5 μm時,平均透射率均在98 %以上,表明在制備該結構陣列時可以適當調節(jié)金字塔結構單元之間的間隙,實現工藝上制作方便。當金字塔單元之間的間隙大于0.5 μm時,平均透射率逐漸降低,這是由于金字塔之間距離增大導致對二次反射光的捕獲能力減弱。存在一定間隙的陣列結構在微加工技術上更容易制作,該陣列設計為實驗上光子晶體增透設計提供了一定的借鑒作用。

圖6 光子晶體陣列模型及陣列間距對平均透射率的影響

4 基底材料HgCdTe厚度和低溫環(huán)境對光子晶體增透效率的影響

本節(jié)探究了基底材料HgCdTe厚度和低溫環(huán)境0K對光子晶體的增透效率的影響。

4.1 基底材料HgCdTe厚度對光子晶體透射率仿真

由于襯底材料HgCdTe的上下表面都會反射光,則HgCdTe厚度對光子晶體的增透效果存在一定影響,探究該問題對HgCdTe材料實際應用有一定促進作用。借助于3.5節(jié)ZnS金字塔形狀的光子晶體模型,金字塔高度為3 μm。HgCdTe材料仿真厚度變化范圍為1～10 μm,步長為1 μm,如圖7(a)所示。ZnS金字塔形狀的光子晶體的平均透射率的仿真結果如圖7(b)所示,隨著HgCdTe材料厚度增加,ZnS光子晶體的增透效果呈現曲折上升。當HgCdTe材料厚度大于6 μm時,ZnS金字塔形狀的光子晶體的平均透射率在90 %以上。這是由于隨著HgCdTe材料厚度增加,則HgCdTe對光的吸收率增加,導致HgCdTe對光的反射率減少。

圖7 HgCdTe材料厚度變化及對光子晶體透射率的影響

4.2 低溫環(huán)境對光子晶體增透效率的影響

溫度影響材料的介電常數,從而影響微納結構中光子晶體的透射率。低溫是HgCdTe材料常見的工作溫度,本文借助于第一性原理方法計算的HgCdTe在0 K下的介電常數[20],探究溫度對光子晶體的增透效果。借助于3.5節(jié)ZnS金字塔形狀的光子晶體模型,金字塔高度為3 μm,常溫300 K和0 K時光子晶體的透過率如圖8所示,兩種溫度下光子晶體的透過率趨勢一致;相比與300 K,0K溫度下光子晶體的透過率略低。在實際工作溫度下,光子晶體的增透效果可能位于兩者這間。

圖8 300 K和0 K溫度下光子晶體的透射率對比圖

5 結 論

本文探索了ZnS長方體、圓柱體、六棱柱體和金字塔二維光子晶體結構在8～10 μm紅外光的增透效果,最后探索了金字塔陣列之間的間隙對透射率的影響。結果表明,在X和Y平面周期條件約束下,本文所研究的ZnS長方體、圓柱體和六棱柱高度為1 μm時,平均透射率最大。相比與長方體結構,圓柱體和六棱柱體單元結構之間存在一定空隙,存在一定的光陷阱效應,具有更高的透射率。ZnS金字塔高度為3 μm時,平均透射率為98.4 %,基于該結果進一步探索了金字塔陣列之間間隙距離對透射率的影響。研究表明金字塔之間的間隙在0～0.5 μm內平均透射率均在98 %以上。最后探究了基底材料HgCdTe厚度和低溫環(huán)境0 K對光子晶體的增透效率的影響,研究發(fā)現,HgCdTe材料厚度增加時,ZnS光子晶體增透效果曲折增加;相比與常溫300 K,0 K溫度下光子晶體的透射率下降3 %。本文的探索為設計光子晶體增透膜和工藝上制備提供了一定的借鑒意義。