鋁多層孔洞陣列的光透過(guò)特性研究

高創(chuàng) 王祥東 胡錦蓮

摘 要：鋁納米結(jié)構(gòu)具有表面等離激元（Surface Plasmon， SP）特性，其從深紫外到紅外區(qū)的范圍可控，在光電信息和能源方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本文利用SP和法布里-珀羅（Fabry–Pérot， F-P）共振，以鋁多層孔洞陣列為研究對(duì)象，使用時(shí)域有限差分法，計(jì)算研究鋁多層孔洞陣列的光學(xué)透過(guò)特性。結(jié)果表明，這種多層孔洞結(jié)構(gòu)陣列，除了兩個(gè)鋁SP共振峰，多出一個(gè)可調(diào)制的F-P共振峰。同時(shí)，隨著SiO2厚度增加，SP峰位變化不大，F(xiàn)-P峰位發(fā)生紅移。特別當(dāng)SP峰和F-P峰重合時(shí)，透射峰強(qiáng)度較高。

關(guān)鍵詞：鋁? 表面等離激元? 法布里-珀羅共振 孔洞陣列

中圖分類(lèi)號(hào)：U662? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）05（c）-0054-03

Study on light transmission characteristics of aluminum multilayer hole arrays

GAO Chuang? WANG Xiangdong? HU Jinlian*

（Anhui University of Technology， Ma'anshan， Anhui Province， 243032 China）

Abstract： Aluminum nanostructures have Surface Plasmon （SP） characteristics. Their range from deep ultraviolet to infrared is controllable. They have important application value in photoelectric information and energy. Using SP and Fabry- P é rot， F-P） resonance， taking aluminum multilayer hole array as the research object， the optical transmission characteristics of aluminum multilayer hole array are calculated and studied by using the finite difference time domain method. The results show that this multilayer hole structure array has one more modulated F-P resonance peak in addition to two aluminum SP resonance peaks. At the same time， with the increase of SiO2 thickness， the SP peak position changes little， and the F-P peak position redshifts. Especially when SP peak and F-P peak coincide， the transmission peak intensity is higher.

Key Words： Aluminum; Surface Plasmon; Fabry–Pérot resonance; Hole array

表面等離激元（Surface Plasmon， SP）指的是在特定情況下金屬表面帶負(fù)電的自由電子在入射光場(chǎng)的作用下產(chǎn)生共振，由于入射光激發(fā)使得金屬自由電子集體性地共振[1]，導(dǎo)致金屬納米結(jié)構(gòu)具備表面等離子激元這一獨(dú)特性質(zhì)，它在光譜調(diào)控和光信息增強(qiáng)等多領(lǐng)域有重大的應(yīng)用價(jià)值[2-4]。隨著研究的進(jìn)一步深入，亞波長(zhǎng)狹縫、薄膜等都有相似的增透效應(yīng)，這一現(xiàn)象更合理地解釋為法布里-珀羅（F-P）共振。根據(jù)F-P共振條件，結(jié)構(gòu)的厚度對(duì)F-P模式的共振波長(zhǎng)具有強(qiáng)烈的影響作用[5]。

鋁納米結(jié)構(gòu)材料，其表面等離激元從深紫外到紅外區(qū)的范圍可控，在光電信息和能源方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。鋁的表面容易生成致密的氧化物鈍化層，其深紫外到紅外范圍內(nèi)不會(huì)影響透光性質(zhì)。對(duì)于鋁圓形孔洞陣列結(jié)構(gòu)，時(shí)域有限差分法模擬結(jié)果[6]表明，主要存在兩個(gè)表面等離激元（Surface Plasmon， SP）共振峰。García-Vidal F J等[7]發(fā)現(xiàn)光增透效應(yīng)可以由法布里-珀羅（Fabry–Pérot， F-P）共振引起。金屬鋁價(jià)格低廉，鋁的表面等離激元可以從深紫外到紅外進(jìn)行大范圍調(diào)制[6]，因而具有重要應(yīng)用價(jià)值。但是，以金屬鋁為研究對(duì)象，將這兩種機(jī)制結(jié)合起來(lái)還缺乏深入研究。本文以鋁多層孔洞陣列（Al hole-SiO2 hole-Al hole array）為研究對(duì)象，探討SiO2厚度對(duì)光學(xué)透射效應(yīng)的影響規(guī)律。

1? 計(jì)算方法

使用時(shí)域有限差分法模擬成六角對(duì)稱(chēng)的多層圓形孔洞陣列（Al hole-SiO2 hole-Al hole array）的透射光譜，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1（A）所示。在SiO2襯底上，兩層鋁膜之間夾一層SiO2，形成六角對(duì)稱(chēng)的孔洞陣列結(jié)構(gòu)，鋁和空氣接觸的界面有一層2nm厚的氧化鋁層，孔洞中介質(zhì)為空氣。其中，P為兩個(gè)相鄰孔洞的中心距離，也是該結(jié)構(gòu)的周期，d是孔洞的直徑，H1和H2分別是鋁多層孔洞陣列頂部和底部的厚度，t是兩層鋁孔洞陣列之間的SiO2孔洞陣列的厚度。在模擬過(guò)程中，模擬時(shí)間為1000fs，入射方向沿Z方向（垂直于金屬表面），光源是平面波（plane wave）。電場(chǎng)偏振方向沿X軸，模擬時(shí)將入射光強(qiáng)度定為1。電場(chǎng)偏振方向沿X軸，模擬區(qū)域的邊界條件，在X和Y方向上設(shè)定為周期性（periodic）邊界條件，Z方向上設(shè)定為完美匹配層（PML）邊界條件，為滿(mǎn)足計(jì)算精度及提高運(yùn)算速度，計(jì)算網(wǎng)格精度設(shè)定為dx=dy=dz=1nm。鋁、氧化鋁和SiO2的折射率取自Palik[8]主編的書(shū)。

2? 結(jié)果與討論

本文研究SiO2孔洞陣列的厚度變化對(duì)光學(xué)透射特性的影響（周期為200nm，鋁孔洞陣列的厚度H1和H2為25nm，孔徑d為120nm）。首先對(duì)SiO2的厚度t為120nm的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算，得到的透射譜如圖1（A）所示。可以明顯看出透射譜中有3個(gè)共振峰，波長(zhǎng)位于450nm的透射峰是由F-P共振引起的，稱(chēng)F-P模式[7]，波長(zhǎng)位于226nm的透射峰是由入射光激發(fā)了上表面金屬和空氣界面的表面等離激元，稱(chēng)air（1，0）模式，波長(zhǎng)位于360nm的透射峰是由入射光激發(fā)了下表面金屬和SiO2襯底界面的表面等離激元，稱(chēng)SiO2（1，0）模式[6]。

保持其他的情況不變，通過(guò)改變SiO2孔洞陣列的厚度，其厚度分別為50nm、90nm、120nm、150nm、180nm、210nm和240nm，得到的透射譜如圖1（B）和（C）所示，圖1（B）是SiO2厚度從0變化到120nm的透射譜，圖1（C）是SiO2厚度從150nm變化到240nm的透射譜。根據(jù)圖1（B）和圖1（C）作出圖1（D），圖1（D）是F-P模式、SiO2（1，0）模式和air（1，0）模式下的透射峰位與SiO2孔洞陣列厚度變化的關(guān)系圖。

圖1多層孔洞陣列（Alhole-SiO2hole-Alholearray）結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性（周期為200nm，孔洞直徑d為120nm，鋁孔洞陣列的厚度H1=H2=25nm）。圖1（A）SiO2厚度t為120nm的透射譜（插圖為鋁多層圓孔洞陣列的示意圖）;圖1（B）SiO2厚度t從0變化到120nm的透射譜;圖1（C）SiO2厚度t從150nm變化到240nm的透射譜;圖1（D）F-P模式、SiO2（1，0）模式和air（1，0）模式下的峰位與SiO2厚度變化的關(guān)系圖。

從圖1（D）中可以看出，在兩層金屬鋁孔洞陣列之間引入SiO2孔洞陣列后，透射光譜中明顯多產(chǎn)生了一個(gè)峰，并且這個(gè)特定的透射峰隨著SiO2厚度增加明顯呈線性紅移，透射峰的波長(zhǎng)，波長(zhǎng)紅移量相對(duì)SiO2厚度t的增量比值是定量，表明透射峰位置與SiO2的厚度呈線性關(guān)系，這與類(lèi)F-P腔共振機(jī)制相吻合。入射光通過(guò)該陣列結(jié)構(gòu)時(shí)，該結(jié)構(gòu)中的孔洞類(lèi)似于F-P腔結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生F-P共振現(xiàn)象。隨著SiO2厚度增加，SiO2（1，0）模式和air（1，0）模式的峰位幾乎不移動(dòng)，從側(cè)面說(shuō)明SiO2（1，0）模式和air（1，0）模式峰位是由SP模式共振機(jī)制占據(jù)主導(dǎo)作用，透射峰位主要由結(jié)構(gòu)的周期決定。

隨著兩層鋁孔洞陣列之間的SiO2孔洞陣列厚度的增加，F(xiàn)-P模式的峰位強(qiáng)度隨著中間層SiO2厚度增加，峰位強(qiáng)度先增加后降低，SiO2厚度為90nm時(shí)（見(jiàn)圖1（B）曲線c），透射強(qiáng)度較強(qiáng)。這是因?yàn)?，此時(shí)SiO2（1，0）模式與F-P模式峰位耦合，導(dǎo)致峰位強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)，隨著SiO2厚度的增加，由F-P模式形成的透射峰紅移，導(dǎo)致與SP模式的共振峰耦合減弱，峰位強(qiáng)度逐漸減低。SiO2（1，0）模式和air（1，0）模式的峰位強(qiáng)度隨SiO2厚度增加呈不規(guī)則變化。在某些SiO2厚度下，SiO2（1，0）模式和air（1，0）模式形成的共振峰強(qiáng)度到達(dá)極值，說(shuō)明由表面等離激元引起的共振透射峰的峰位強(qiáng)度依賴(lài)于SiO2的厚度，表明類(lèi)F-P共振機(jī)制對(duì)SiO2（1，0）模式和air（1，0）模式形成的共振峰強(qiáng)度也具有調(diào)節(jié)作用。

3? 結(jié)語(yǔ)

使用時(shí)域有限差分法計(jì)算鋁多層孔洞陣列，主要存在3個(gè)透射峰，即兩個(gè)鋁SP共振峰，一個(gè)可調(diào)制的F-P共振峰。隨著SiO2厚度增加，F(xiàn)-P峰位波長(zhǎng)增加，SP峰位變化很小。調(diào)制SiO2厚度，可使SP峰和F-P峰重疊，此時(shí)透射峰達(dá)到極大值。該文中得到的鋁多層孔洞陣列構(gòu)，可以應(yīng)用在在生化檢測(cè)、光學(xué)存儲(chǔ)和光電探測(cè)等光信息增強(qiáng)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] Alam M Z，Yang Z，Sheik-Bahae M，et al. Directional excitation of surface plasmon using multi-mode interference in an aperture[J].Scientific Reports，2021，11（1）： 3170.

[2] Lee J Y，Cheng X，Wang Y.Ultraviolet plasmonic enhancement of the native fluorescence of tryptophan on aluminum nano-hole arrays[J]. Journal of Physics D：Applied Physics，2021，54（13）： 135107.

[3] Chumpol K，Mcevoy N，Zhang X，et al.Multiphoton absorption and graphitization in poly（methyl methacrylate）-coated aluminum nanoantenna arrays[J].The Journal of Physical Chemistry C，2020，124（16）：8930-8937.

[4] Wang B，Singh S C，Lu H，et al.Design of aluminum bowtie nanoantenna array with geometrical control to tune LSPR from UV to Near-IR for Optical Sensing[J].Plasmonics，2020，15（2）：609–621.

[5] Li Z，Butun S，Aydin K.Lithography-free transmission filters at ultraviolet frequencies using ultra-thin aluminum films[J].Journal of Optics，2016，18（6）：065006.

[6] Hu J，Shen M，Li Z，et al.Dual-channel extraordinary ultraviolet transmission through an aluminum nanohole Array[J].Nanotechnology，2017，28（21）：215205.

[7] García-Vidal F J，Martín-Moreno L.Transmission and focusing of light in one-dimensional periodically nanostructured metals[J].Physical Review B，2002，66（15）：155-412.

[8] Palik E D.Handbook of optical constants of solids[M].New York：Academic Press，1985.