一种利用结构对称性破缺实现超窄带吸收和传感的方法与流程

本发明涉及一种利用结构对称性破缺实现超窄带吸收和传感的方法，属于微机电系统与光电探测领域。

背景技术：

光学选择性完美吸收器可以高效率地吸收特定频段的电磁波，实现对特定通道光波能量的完美吸收，在光电探测、光学传感、成像系统、智能通信与光伏太阳能等领域具有重要应用需求。对于微纳光学器件，为了取得良好的光吸收效果，往往需要提高入射光波与微纳结构的相互作用，利用微纳结构的电场增强提高器件的光吸收效率。在以往的研究和应用中，为了提高微纳光学器件的光吸收效率，需要借助微纳复合结构的共振效应，主要有以下四种方法：第一种方法是利用表面等离子体共振(surfaceplasmonresonance)，通过在“金属-介质”复合结构中引入微纳结构，比如利用光栅、或耦合棱镜、或散射颗粒提供波矢动量匹配，在金属-介质分界面激发表面等离子体共振模式，实现光吸收效率的增强；第二种方法是利用导模共振(guided-moderesonance)，通过在微结构中激发共振的波导模式，实现光场能量在介质波导层中的高度局域，进而对入射光波实现吸收增强；第三种方法是利用磁共振，通过激发“金属-介质-金属”三明治结构中的磁共振(magneticresonance)，也即是在上下金属层中形成反对称的电流分布，实现磁场能量在介质层中的高度局域，进而提高器件的光吸收效率；第四种方法是利用法诺共振(fanoresonance)，通过调控微纳结构中亮模式和暗模式的耦合，在共振波长处形成光场能量的局域化和光吸收效率的增强。

然而，以往采用表面等离子体共振、导模共振、磁共振、法诺共振等方法实现的光吸收增强，很少涉及到如何利用微纳结构的对称性破缺实现光吸收效率的增强，尤其是如何实现超窄带的完美光吸收。尽管近年来研究发现利用微结构的对称性破缺可以实现一些新的光学现象和器件功能，比如利用微纳结构的对称性破缺可以产生法诺共振、电磁诱导透明、窄带滤波以及增强表面等离子体共振等，但上述方法均针对对称性破缺微纳结构的共振、反射、透射或滤波特性，并未涉及利用微结构的对称性破缺实现超窄带完美光吸收和高性能传感的应用。

技术实现要素：

本发明提出一种利用结构对称性破缺实现完美光吸收和高灵敏度传感的方法。具体涉及到在带金属基底的介质光栅中引入纳米刻槽，通过改变纳米刻槽的位置改变光栅结构的对称性，利用光栅结构的对称性破缺实现超窄带光吸收和高灵敏度的折射率传感，在光吸收器件、增强纳米成像、隐身材料、光电探测、生物传感等领域具有应用价值。

本发明的第一个目的是提供一种超窄带完美光吸收和高灵敏度传感的方法，所述方法利用光栅结构的对称性破缺实现。

在本发明的一种实施方式中，所述光栅结构包括金属基底、低折射率的介质缓冲层、高折射率的介质光栅层，所述光栅为亚波长结构；所述光栅层中引入非对称纳米刻槽，即所述纳米刻槽中心距离光栅原胞中心位置的距离≠0。

在本发明的一种实施方式中，所述低折射率的介质缓冲层是指即缓冲层介质折射率小于光栅层介质折射率；所述高折射率的介质光栅层是指光栅层介质折射率大于缓冲层介质折射率。

在本发明的一种实施方式中，金属基底的材料为au或ag。

在本发明的一种实施方式中，低折射率的介质缓冲层和高折射率的介质光栅层分别选用材料sio2和si。

在本发明的一种实施方式中，金属ag薄膜、sio2薄膜、si薄膜采用常规镀膜方式制备，包括但不限于采用电子束蒸发镀膜或磁控溅射镀膜方式。

在本发明的一种实施方式中，所述光栅结构的制备方法具体为：先将100nm厚度的ag薄膜沉积到熔石英或k9玻璃等高精度的光学基片上，在此基础上依次沉积sio2薄膜和si薄膜；最后，在顶层si薄膜中制备出带纳米刻槽的光栅微结构。

在本发明的一种实施方式中，所述光栅微结构通过干法刻蚀制备，包括但不限于：用等离子体刻蚀设备或电子束刻蚀设备，将掩膜的图样转移到si薄膜结构中。

本发明的第二个目的是提供对超窄带选择性完美吸收的光栅结构，包括金属基底、低折射率的介质缓冲层、高折射率的介质光栅层，所述光栅层中引入纳米刻槽，所述纳米刻槽中心距离光栅原胞中心位置的距离≠0。

本发明还要求保护所述光栅结构在光吸收器件、增强纳米成像、隐身材料、光电探测、生物传感等领域的应用。与基于半导体材料的光电探测器件相比，本发明所述结构的电磁波敏感波长不是取决于半导体材料自身的禁带宽度，而是由其阵列形式和单元结构尺寸决定，通过合理选择微结构参数，比如光栅周期、占空比、纳米刻槽的宽度和位置等，可以实现不同波长光波的选择性吸收增强。在此基础上，基于对入射光波的选择性完美光吸收增强，有效增强和调控特定通道光吸收信号的强度，提高对光信号探测的响应度，进而拓展微纳光子器件在光电探测与传感等方面的潜在应用。

在本发明的一种实施方式中，所述应用包括制备光电耦合器、光电探测器等元件。

有益效果：本发明通过改变纳米刻槽的位置改变光栅结构的对称性，利用光栅结构的对称性破缺实现光场在纳米刻槽中的高度局域和显著增强，吸收峰位置对背景折射率变化高度敏感，进而对入射光波实现超窄带选择性完美吸收及高灵敏度的折射率传感。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明结构在对称情形(ds＝0)和对称性破缺情形(ds≠0)的吸收光谱曲线。

图3为本发明结构在对称情形(ds＝0)和对称性破缺情形(ds≠0)下共振波长的归一化电场幅值分布。

图4为本发明结构在纳米刻槽位置ds发生变化时的吸收光谱曲线。

图5为本发明结构在纳米刻槽宽度w发生变化时的吸收光谱曲线。

图6为本发明结构在不同背景折射率n发生改变时的吸收光谱曲线。

图7为本发明结构吸收峰位置随不同分析物背景折射率变化关系。

具体实施方式

本发明提出的利用结构对称性破缺实现超窄带吸收和高灵敏传感的方法如下：

实施例1

在本发明中，可以任意选取金属和介质薄膜材料实现对称性破缺的超窄带完美光吸收，在此基础上，利用该吸收峰位置对背景折射率变化高度敏感性实现高灵敏度的折射率传感。首先在带金属基底的光栅结构中引入纳米刻槽，通过使纳米刻槽中心距离光栅原胞中心位置的距离≠0，使得光栅结构产生对称性破缺，并利用光栅结构的对称性破缺，实现光场在纳米刻槽中的高度局域和显著增强，进而获得超窄带光吸收和高灵敏度传感。

图1为带金属基底和纳米刻槽的二维光栅结构示意图。基底为金属，折射率为ns。基底上方是一层厚度为tb的低折射率介质缓冲层，折射率nb。缓冲层上方是一层高折射率的二维光栅层，折射率为na，深度为ta。光栅沿x方向和y方向的周期分别为λx和λy，其x方向和y方向的占空比为f。纳米刻槽的宽度为w，其中心距离二维光栅原胞中心位置的距离为ds，当ds≠0时对应光栅结构的对称性破缺。

假定选取的波段在近红外波段，基底、缓冲层和光栅分别选用ag、sio2和si三种材料进行设计，背景为空气。其中，ag基底的厚度大于对应光波波段的趋肤深度(在可见光近红外波段ag基底的趋肤深度为20-50nm)，这样可以避免因透射光导致的吸收效率下降；sio2为低折射率的介质缓冲层，它可以将ag基底和si光栅隔离一定距离，实现较好的吸收增强效果，在可见光近红外波段其厚度一般高于100nm；si光栅可以对特定波长的光波产生光场局域，进而实现对该波长光波的吸收增强，一般而言si光栅的深度越大，对应的增强吸收峰的波长也越大。为了提高光吸收效率，光栅采用亚波长结构，即光栅周期小于入射光波长，此时空气背景中只有0级传播衍射级次，这样可以避免因高级次衍射导致的光吸收效率降低。假设选取ag基底的厚度为100nm，由于它远大于近红外波段ag的趋肤深度，基底中没有透射光，结构的光吸收率可以简化为a＝1-r，其中r为结构的反射率。ag的折射率取自palik数据库，sio2的折射率nb＝1.47，厚度tb＝200nm；si的折射率na＝3.48，si光栅深度ta＝480nm，选取sio2缓冲层厚度，λx＝λy＝780nm，fλx＝fλy＝400nm。

在上述参数条件下，针对从光栅上方垂直入射的te偏振光(电场方向沿y方向)，采用矢量衍射理论，比如严格耦合波理论，计算对应光栅结构在亚波长波段的吸收光谱。分别针对对称结构(ds＝0)、对称性破缺结构(ds≠0)选取参数进行计算，比如对称结构光栅，选取参数为：ds＝0，w＝0(对称且无纳米刻槽)，ds＝0，w＝20nm(对称且有纳米刻槽)；对称性破缺光栅，参数为：ds＝20nm，w＝20nm，计算得到的吸收光谱如图2所示。可以看到，对于对称结构情形，无论光栅中是否存在纳米刻槽，结构的光吸收率都非常小，结构整体呈现出宽带高反射功能；但是光栅结构的对称性破缺将引起超窄带光吸收效应，在1455.8nm的共振波长处光吸收率接近100％，吸收带的半高宽度(fwhm)仅为0.2nm，品质(q)因子高达7279，结构呈现出优越的超窄带选择性完美吸收特性。

实施例2

为了揭示对称性破缺结构超窄带光吸收对应的物理机制，采用严格耦合波理论分别计算对称情形(ds＝0)和对称性破缺情形(ds≠0)下，共振吸收波长1455.8nm处光栅结构的电场分布，得到图3。

图3为本发明结构在对称情形(ds＝0)和对称性破缺情形(ds≠0)下，1455.8nm吸收峰光波在xoy平面的归一化电场幅值分布。从图3可以看到，对于对称结构光栅，即ds＝0，w＝0(对称且无纳米刻槽)，以及ds＝0，w＝20nm(对称且有纳米刻槽)，无论光栅中有无纳米刻槽，由于高折射率光栅对光场的局域效应，结构中的电场虽然在一定程度上被增强，但增强效果不显著，且光场能量主要被束缚在高折射率的si光栅中，呈现出米氏共振(mieresonance)共振特征。但对于对称性破缺结构，即ds＝20nm，w＝20nm，由于si光栅原胞中一个长方体单元被劈裂为两个非对称的二聚体，两个非对称二聚体之间的电磁耦合显著增强了结构的光场幅值，在纳米刻槽中产生了腔共振图样，光场的能量几乎全部被转移到纳米刻槽中，电场强度的归一化幅值急剧增强，光强最高增大了2.25×10⁴倍，使得在共振波长处实现吸收效率趋于100％的完美光吸收。

实施例3

对于对称性破缺光栅结构(ds≠0)，在刻槽宽度w＝20nm的条件下，选取不同的刻槽位置ds，比如ds分别取ds＝20nm、ds＝30nm、ds＝40nm、ds＝50nm、ds＝60nm，采用矢量衍射理论可以计算ds发生变化时结构的吸收光谱曲线；

由图4可以看到，当ds从20nm增加至60nm时，超窄带吸收峰发生显著红移，吸收峰波长从1455.8nm移动至1498.1nm，也就是随着光栅结构的非对称性增加(即增大ds)，窄带吸收峰向长波方向移动，但对应的低吸收旁带维持不变，结构依旧保持优良的超窄带选择吸收特性。

实施例4

在对称性破缺(ds≠0)的情形下，对于刻槽位置ds＝20nm的情形，选取不同的刻槽宽度w，比如w分别取w＝10nm、w＝15nm、w＝20nm、w＝25nm、w＝30nm，采用矢量衍射理论可以计算w发生变化时结构的吸收光谱曲线，

由图5可见，当纳米刻槽宽度发生很大变化，即w从10nm增加到30nm时，结构依然具有优良的超窄带、低旁带、选择性吸收特性，光吸收效率均高于90％。此外由于纳米刻槽宽度的增加会降低光栅层的等效折射率，因此随着w的增大吸收峰发生蓝移。

实施例5

在对称性破缺(ds≠0)的情形下，任意选择一个对称性破缺光栅结构，比如选取ds＝20nm，w＝20nm，针对不同的背景折射率n。比如分别选取n＝1.00、n＝1.01、n＝1.02、n＝1.03、n＝1.04，计算不同背景折射率变化结构对应的吸收光谱，得到图6。

从图6可见，当背景折射率发生微小改变时，吸收峰位置发生显著移动，吸收峰位置对背景折射率的微小变化呈现出高灵敏的光谱响应特征。

根据图6的计算结果，从中获取不同吸收峰位置与对应背景折射率的数据，绘制吸收峰位置随不同分析物背景折射率变化关系，得到图7。从图7中可以看到，吸收峰位置随背景折射率的变化呈线性移动，通过线性拟合得到的直线斜率对应其传感灵敏度s＝405nm/riu。在此基础上计算传感的品质因数fom＝s/fwhm，其中fwhm为吸收峰的半高宽度，得到fom＝2025。可以看出，对称性破缺光栅兼具极高的传感灵敏度(s＝405nm/riu)和品质因数(fom＝2025)，呈现出优越的折射率传感功能。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。