等离激元窄带吸收薄膜的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种等离激元窄带吸收薄膜，包括基底层及设置于所述基底层表面的介质层，还包括设置在所述介质层表面的隔离层及设置在所述隔离层表面的介电颗粒层，所述介电颗粒层由多个介电颗粒按一定周期排列形成。本发明的优点在于：1、相比于金属颗粒中的自由电子的等离激元共振，热损耗能够大大降低。2、能够实现强局域的电磁共振窄波长光吸收，进一步增强电磁波与介电颗粒作用强度，因此可以在不均匀的环境中实现窄波长的强局域共振响应。3、可以调节电磁能量在介质层和介电颗粒的吸收比例，从而降低金属热损耗。
【专利说明】
等离激元窄带吸收薄膜
技术领域
[0001] 本发明涉及二维平面光子晶体领域，尤其涉及一种等离激元窄带吸收薄膜。
【背景技术】
[0002] 金属颗粒在电磁波的激励耦合下产生表面电子的集体震荡表现了奇异的光学特 性，也就是所谓的局域等离激元共振特性。这种光和电子的共振能够将光约束在金属颗粒 表面几十纳米甚至更小的范围，并且形成很强的局域电磁场，金属颗粒的局域等离激元超 强的光学局域和光场增强特性使其在生物传感器、表面增强拉曼光谱以及荧光增强光谱等 技术上展现了巨大的应用前景。
[0003] 另一方面，当金属颗粒形成周期性阵列时，在一定的激发电磁波长下，颗粒周期阵 列的衍射模式和单个颗粒的局域等离激元共振发生相互作用，显示出一种新奇窄带光学振 荡模式。在这种阵列的集体共振耦合下，单个颗粒的局域等离激元的共振能量向自由空间 的辐射会大大减少，更多的电磁波的能量将会束缚在金属颗粒阵列中，相应腔体的振荡模 式的品质因子得到提高。这种异常的金属纳米颗粒阵列具有光放大的局域电磁共振，同时 能够产生很窄波长的光学吸收响应，因此在纳米激光器，传感器，探测器等领域有潜在的应 用价值。美国西北大学的Teri W. Odom等人（2013, Nature Nanotechnology)利用金属颗 粒周期阵列的共振腔体模式，结合红外染料荧光分子增益材料，实现室温等离激元耦合红 外光致激射发光。相关周期性金属颗粒阵列等离激元耦合共振应用研究广受关注，但是其 应用前景同样受到限制。首先金属颗粒阵列需要在一个均匀的介质环境中才能实现衍射耦 合共振。在不同的衬底表面，这种周期性金属结构导致的衍射耦合作用将会减弱，这样无法 阻止更多的电磁波泄露到自由空间中。其次，金属颗粒中自由电子等离激元耦合共振产生 的局域电磁增强场通常伴随着较大的电磁能量吸收，会产生大量的金属热损耗，导致金属 周期阵列对电磁能量的全吸收主要转换为金属的热损耗。这样不仅会使金属结构周围的温 度升高，而且会使电磁波能量的利用率降低。
【发明内容】
[0004] 为克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种等离激元窄带吸收薄膜，其具有 低热消耗、能够在不均匀的环境中实现窄段吸收的优点。
[0005] 为了解决上述问题，本发明提供了一种等离激元窄带吸收薄膜，包括基底层及设 置于所述基底层表面的介质层，还包括设置在所述介质层表面的隔离层及设置在所述隔离 层表面的介电颗粒层，所述介电颗粒层由多个介电颗粒按一定周期排列形成。
[0006] 进一步，所述介电颗粒按照一平行四边形阵列排列形成介电颗粒层。
[0007] 进一步，所述平行四边形阵列的两边的夹角Θ的范围为：〇° < Θ <90°
[0008] 进一步，每相邻的两个介电颗粒之间的距离相等，所述介电颗粒的周期为相邻的 两个介电颗粒之间的距离与介电颗粒的直径之和。
[0009] 进一步，所述等离激元窄带吸收薄膜受一定波长的电磁波的激发，所述介电颗粒 的周期与所述电磁波的波长的比值范围为0. 05-1。
[0010] 进一步，所述等离激元窄带吸收薄膜受一定波长的电磁波的激发，所述介电颗粒 的的尺寸与所述电磁波的波长的比值范围为0. 05-1。
[0011] 进一步，所述介电颗粒层的折射率大于所述隔离层的折射率。
[0012] 进一步，所述介电颗粒层的折射率与所述隔离层的折射率的比值大于1. 4。
[0013] 进一步，所述介电颗粒的材料为无机材料或有机材料中的一种。
[0014] 进一步，所述介质层的材料为石墨稀或金属。
[0015] 本发明的优点在于：
[0016] 1、高折射率介电颗粒能够和入射的电磁场相互作用产生谐振的电磁耦合模式，这 种谐振模的产生基于介电颗粒中的束缚电子电磁耦合共振，相比于金属颗粒中的自由电子 的等离激元共振，热损耗能够大大降低。
[0017] 2、周期性的介电颗粒阵列能够产生类似于金属颗粒阵列的衍射耦合共振，能够实 现强局域的电磁共振窄波长光吸收，并且这种共振模式在靠近金属时，同金属表面的等离 激元相互耦合，进一步增强电磁波与介电颗粒作用强度，因此可以在不均匀的环境中实现 窄波长的强局域共振响应。
[0018] 3、通过改变介电颗粒的排列周期，可以调节电磁能量在介质层和介电颗粒的吸收 比例，从而降低金属热损耗。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明等离激元窄带吸收薄膜的结构示意图；
[0020] 图2为在垂直电磁场（波矢方向沿Z轴）入射下的等离激元窄带吸收薄膜表面的 反射和吸收光谱曲线；
[0021] 图3为电场强度沿硅介电颗粒中心XZ面分布图；
[0022] 图4为在垂直电磁场入射下的材料表面的硅介电颗粒层和银金属介质层分别吸 收光谱曲线；
[0023] 图5为金属银介质层，硅介电颗粒层以及总的电磁波的吸收强度峰值对周期的变 化曲线图。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图对本发明提供的等离激元窄带吸收薄膜的【具体实施方式】做详细说 明。图1中X-轴、Y-轴及Z-轴分别代表X轴、Y轴及Z轴。
[0025] 参见图1，本发明等离激元窄带吸收薄膜包括基底层101、设置于所述基底层101 表面的介质层102、设置在所述介质层102表面的隔离层103及设置在所述隔离层103表面 的介电颗粒层104。
[0026] 所述介电颗粒层104由多个介电颗粒105按一定周期排列形成。每相邻的两个介 电颗粒105之间的距离相等，所述介电颗粒105的周期P为相邻的两个介电颗粒105之间的 距离与介电颗粒105的直径之和。在本【具体实施方式】中，所述介电颗粒105按照一平行四边 形阵列排列形成介电颗粒层104。例如，四个介电颗粒105,可分别设置为平行四边形阵列 的四个顶点，所述平行四边形阵列的相邻的两个边的夹角Θ的范围为：〇° < Θ <90°。 本发明介电颗粒105按一定周期排列形成介电颗粒层104,使得介电颗粒层104能够在电磁 波的激发下产生一定波长的异常衍射共振模式，这种共振模式能够与金属等离激元相互耦 合，进而增强电磁波与介电颗粒105作用强度，并且可通过调节介电颗粒105的排列周期来 调控介质层102及介电颗粒层104对电磁波的吸收强度。
[0027] 所述介电颗粒105的材料可以为有机材料或无机材料；所述有机材料为有机聚合 物任意一种；所述无机材料为娃、锗、二氧化钛、磷化镓、砷化镓、硫化镉、氧化锌、氮化镓、硒 化锦中任意一种或者一种可使用微制造技术或者纳米制造技术加工的尚折射率的材料制 成。
[0028] 所述介电颗粒105的形状可以为任意形状，例如，球体、圆柱、棱锥、多面体，本发 明不进行限制。本【具体实施方式】中，所述介电颗粒105的材料为硅，选取为球体，其半径r 选取 65nm，周期 p 可为：300nm-700nm。
[0029] 进一步，所述等离激元窄带吸收薄膜受一定波长的电磁波的激发，所述介电颗粒 105的周期与所述电磁波的波长的比值范围为0. 05-1。所述介电颗粒105的尺寸与所述电 磁波的波长的比值范围为0. 05-1。所述介电颗粒105的尺寸指介电颗粒105在所有方向上 的最大长度。
[0030] 所述基底层101起到支撑衬底的作用，其材料本发明不进行限制。
[0031] 所述介质层102起到电磁场反射和等离激元局域激发的作用，在激发源的电磁场 和介电颗粒层104作用后，一部分电磁场会透过介电颗粒层104,介质层102能够将透过的 电磁场反射以及与之作用产生等离激元振荡，进一步的增强电磁场的局域性和吸收效率。 所述介质层102的材料可以为石墨烯或金属，所述金属可以为金、银、铝、铜、钛、镍、铬中任 意一种或几种的合金。在本【具体实施方式】中采用银材料作为介质层102,复介电函数色散 关系为：~=今-6间^化)]1，￡〃=9.54'，； /=:〇.〇4(^'。其中，％为银的复介电函数，^ 为银的电介质常数部分，Ep为银的自由电子气的等离子振荡能量，γ为银的自由电子气的 振荡弛豫时间，E为电磁波的振荡能量。
[0032] 所述隔离层103主要为了调节介电颗粒105阵列共振模式和下层介质层102金 属等离激元的耦合强度，可以通过改变隔离层103的厚度d，调节介质层102和介电颗粒层 104的电磁能量吸收比例。其次可以通过调节隔离层103的厚度d，较大范围的调节窄带吸 收的峰位，在本【具体实施方式】中所述隔离层103的厚度d为5nm。所述隔离层103的材料可 以是二氧化硅，三氧化二铝，四氟化镁等低折射率介电材料。
[0033] 进一步，所述介电颗粒层104的折射率大于所述隔离层103的折射率，优选地，所 述介电颗粒层104的折射率与所述隔离层103的折射率的比值大于1. 4,所述隔离层103的 折射率大于1。其优点在于，使电磁能量更多的局域在介电颗粒105以下及介质层102以上 的区域，减少电磁波向空气中的辐射，增强介电颗粒105和介质层102对电磁能量的吸收。
[0034] 本发明的等离激元窄带吸收薄膜基于周期性的介电颗粒阵列产生异常衍射共振 模式和金属的镜像效应以及金属等离激元相互作用实现可调波长的窄带吸收薄膜。自由空 间中的单个介电颗粒在电磁场的照射下能够产生一定波长的共振模式，这类共振模式也被 称为介电颗粒的Mie散射振荡。适当地选择来自光源的激发电磁场特性（如电场激化方向 和频率）来激发介电颗粒和金属衬底的共振模式，激发光源可以包括任何用于以所希望的 波长发射电磁波的适当源，并且能够可调波长的辐射。例如，商业可得到的半导体激光器、 氦氖激光器、二氧化碳激光、发光二极管、白炽灯以及许多其他公知的辐射发射源。当介电 颗粒形成周期性阵列结构时，Mie散射共振模式之间发生相互耦合，产生异常衍射共振。这 种异常衍射共振模式进一步通过金属的镜像效应和等离激元效应相互作用，能够选择性的 将某一特定窄带波长的电磁波能量局域在金属和介电颗粒之间（如图2所示），阻止电磁 能量向自由空间耗散。金属的镜像效应和等离激元作用增强了介电颗粒阵列和金属对电磁 波的选择波长的吸收效率，实现对入射电磁波的窄带全吸收。通过调节介电颗粒阵列的周 期，能够平衡电磁能量在介电颗粒阵列和金属之间的吸收比例（如图5所示），减少金属的 热损耗，增强介电颗粒阵列的吸收特性。
[0035] 使用时域有限差分方法对本【具体实施方式】等离激元窄带吸收薄膜进行了仿真模 拟，图2所示为等离激元窄带吸收薄膜周期p = 540nm，介电颗粒105半径r = 65nm，隔离 层103厚度d = 5nm时，本发明提供的【具体实施方式】中在垂直电磁场（波矢方向沿Z轴） 入射下的材料表面的反射和吸收光谱曲线。由图2可见，在电磁波长598. 5nm处，该结构获 得94%的电磁波全吸收，其吸收带宽接近7nm。
[0036] 图3所示为本【具体实施方式】中等离激元窄带吸收薄膜在周期p = 540nm，介电颗粒 105半径r = 65nm，隔离层103厚度d = 5nm参数下，在电磁波长598. 5nm激发下，电场强 度沿硅介电颗粒105中心XZ面分布图。图3可见，电磁场和薄膜材料结构作用的大部分电 场能量居于硅介电颗粒层104之下二氧化硅隔离层103之上，尤其在硅介电颗粒105和二 氧化硅隔离层103的接触点两边数十纳米区域范围，电场强度得到了极大的增强，其场强 增强达到40倍左右。
[0037] 图4所示为本【具体实施方式】中等离激元窄带吸收薄膜在p = 540nm，r = 65nm，d =5nm参数下，在垂直电磁场入射下的材料表面的娃介电颗粒层104和介质层102分别吸 收光谱曲线，其中介质层102采用金属银制作。由图4可见，本【具体实施方式】中的等离激元 窄带吸收薄膜对电磁场的吸收分为两部分，一部分被娃介电颗粒层104吸收，另外一部分 被介质层102所吸收。
[0038] 图5所示为本【具体实施方式】中等离激元窄带吸收薄膜在介电颗粒105半径r = 65nm，隔离层103厚度d = 5nm参数下，在周期p为300-700nm，周期取样间隔20nm时，本发 明等离激元窄带吸收薄膜的介质层102,硅介电颗粒层104以及总的电磁波的吸收强度峰 值对周期的变化曲线图。由图5可见，本【具体实施方式】中的等离激元窄带吸收薄膜介质层 102以及硅介电颗粒105对电磁波的吸收强度随着介电颗粒105周期的变化而改变。当周 期小于560nm时，硅介电颗粒层104对电磁波的吸收强度大于介质层102的吸收强度，并且 在周期较小时，几乎所有的电磁波的能量都被硅介电颗粒层104所吸收。而在周期较大时， 介质层102对电磁波的吸收逐渐增强，而硅介电颗粒层104的吸收强度减弱。当周期进一 步增加时，等离激元窄带吸收薄膜对电磁波总吸收强度将迅速减少。由此可见，可以通过调 节硅介电颗粒105的周期从而改善电磁波能量在介电颗粒层104和介质层102之间的吸收 比例。
[0039] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为 本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种等离激元窄带吸收薄膜，包括基底层及设置于所述基底层表面的介质层，其特 征在于，还包括设置在所述介质层表面的隔离层及设置在所述隔离层表面的介电颗粒层， 所述介电颗粒层由多个介电颗粒按一定周期排列形成。2. 根据权利要求1所述的等离激元窄带吸收薄膜，其特征在于，所述介电颗粒按照一 平行四边形阵列排列形成介电颗粒层。3. 根据权利要求2所述的等离激元窄带吸收薄膜，其特征在于，所述平行四边形阵列 的两边的夹角Θ的范围为：〇° < Θ彡90°。4. 根据权利要求1或2所述的等离激元窄带吸收薄膜，其特征在于，每相邻的两个介电 颗粒之间的距离相等，所述介电颗粒的周期为相邻的两个介电颗粒之间的距离与介电颗粒 的直径之和。5. 根据权利要求4所述的等离激元窄带吸收薄膜，其特征在于，所述等离激元窄带吸 收薄膜受一定波长的电磁波的激发，所述介电颗粒的周期与所述电磁波的波长的比值范围 为 0.05-1。6. 根据权利要求1所述的等离激元窄带吸收薄膜，其特征在于，所述等离激元窄带吸 收薄膜受一定波长的电磁波的激发，所述介电颗粒的尺寸与所述电磁波的波长的比值范围 为 0.05-1。7. 根据权利要求1所述的等离激元窄带吸收薄膜，其特征在于，所述介电颗粒层的折 射率大于所述隔离层的折射率。8. 根据权利要求1所述的等离激元窄带吸收薄膜，其特征在于，所述介电颗粒层的折 射率与所述隔离层的折射率的比值大于1. 4。9. 根据权利要求1所述的等离激元窄带吸收薄膜，其特征在于，所述介电颗粒的材料 为无机材料或有机材料中的一种。10. 根据权利要求1所述的等离激元窄带吸收薄膜，其特征在于，所述介质层的材料为 石墨稀或金属。
【文档编号】H01P1/20GK106033829SQ201510106462
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2015年3月11日
【发明人】黄增立, 王建峰, 刘争晖, 徐耿钊, 钟海舰, 樊英民, 徐科
【申请人】中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所