CN102166845A

CN102166845A - 增强纳米三明治品质因子的结构

Info

Publication number: CN102166845A
Application number: CN2011100227149A
Authority: CN
Inventors: 付非亚; 王宇飞; 晏新宇; 刘安金; 周文君; 郑婉华
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2011-01-20
Filing date: 2011-01-20
Publication date: 2011-08-31

Abstract

一种增强纳米三明治品质因子的结构，包括：一下金属层；一介质层，该介质层制作在下金属层上；一上金属层，该上金属层制作在介质层上；其是通过降低纳米三明治腔体的非辐射损耗的途径，提高纳米三明治腔体品质因子。

Description

增强纳米三明治品质因子的结构

技术领域

本发明涉及微纳结构研究及等离子体光电子器件技术领域，尤其涉及一种增强纳米三明治品质因子的结构。

背景技术

贵金属纳米单元制作的亚波长超材料结构吸引了学术界的广泛关注，由于这些纳米单元结构的表面等离子体共振耦合作用，电磁场被强烈的限制在结构周围，这些结构甚至可以克服衍射极限尺度，在集成光学中拥有应用的潜在可能性。在磁性共振频率附近，有如文献1：“V.M.Shalaev，W.Cai，U.K.Chettiar，et al，OPTICS LETTERS，2005(30)：3356”报道的该类纳米结构超材料的磁导率以及介电常数均可实现负值，这为在光学波段内实现亚波长尺度负折射材料提供了可能性。

目前为止研究人员引入了多种新型超材料结构来实现磁性共振，例如：鱼网结构、纳米柱状对结构、开口环谐振器结构、纳米三明治结构等。研究表明，负的磁导率甚至负的折射率可在鱼网结构和纳米三明治结构中得以实现。

其中基于单个开口环的谐振器结构以及单个纳米三明治结构中激励的磁性等离子体已经得以实现，以磁性等离子体方式进行能量振荡的优势在于低的辐射损耗和更长的传播长度。有如文献2：“J.Zhou，Th.Koschny，M.Kafesaki，et al，PHTSICAL REVIEW LETTERS，2005(95)：223902”报道的单个开口环谐振器结构在高频时将会出现磁性响应饱和，同时存在结构复杂、开口环开口尺寸微小的制作工艺难题，相比之下纳米三明治结构可工作在更高频段、实现工艺简单，因而成为关注的焦点。

基于纳米三明治结构内磁性等离子体振荡模式的优势，有如文献3：“Z.H.Zhu，H.Liu，S.M.Wang，et al，APPLIED PHYSICS LETTERS，2009(94)：103106”报道了基于纳米三明治结构内两种磁性等离子体模式的纳米激光器的设计方案。有如文献4：“S.M.Wang，Z.H.Zhu，J.X.Cao，et al，APPLIED PHYSICS LETTERS，2010(96)：113103”报道了基于纳米三明治结构磁性等离子体模式的链状波导设计方案。但该类设计中都未提出抑制金属吸收损耗的方法，未给出增强纳米三明治结构内等离子体模式品质因子Q的方案。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种增强纳米三明治品质因子的结构，该新型纳米三明治结构是在上下金属与介质层之间加入新的低折射率介质层，通过抑制纳米三明治腔体非辐射损耗的途径，提高纳米三明治腔体品质因子。利用本发明，能够有效地提高纳米三明治腔内磁性等离子体模式品质因子，改良等离子体模式损耗状况，为基于纳米三明治结构以及同类结构的新型器件的设计以及实现提供指导和依据。

本发明提供一种增强纳米三明治品质因子的结构，包括：

一下金属层；

一介质层，该介质层制作在下金属层上；

一上金属层，该上金属层制作在介质层上；

其是通过降低纳米三明治腔体的非辐射损耗的途径，提高纳米三明治腔体品质因子。

其中所述介质层包括：

一下低折射率介质层；

一中心层，该中心层制作在下低折射率介质层上；

一上低折射率介质层，该上低折射率介质层制作在中心层上。

其中所述下金属层和上金属层的材料是金、银、铅或者是铜。

其中所述中心层的材料是硅、砷化镓或磷化铟。

其中所述下低折射率介质层和上低折射率介质层的折射率小于中心层的折射率。

其中所述下低折射率介质层和上低折射率介质层的材料是玻璃或者是二氧化硅。

其中所述下、上金属层及介质层的形状是圆形、椭圆形、正方形或者是矩形。

其中所述纳米三明治结构的工作波长，覆盖红外到远红外波段。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的这种增强纳米三明治品质因子的结构，其基本思想是在上下金属与介质层之间加入新的低折射率介质层，通过抑制纳米三明治腔体非辐射损耗的途径，提高纳米三明治腔体品质因子。这种新型的纳米三明治结构能够有效地提高纳米三明治腔内磁性等离子体模式品质因子，改良等离子体模式损耗状况。

2、本发明提供的这种增强纳米三明治品质因子的结构，金属介质层间加入的低折射率材料层对金属吸收损耗的抑制能够有效平衡由于低折射率材料层加入导致的纳米三明治结构辐射损耗的增加，在整体上改善纳米三明治结构损耗状况，提高等离子体模式Q值。

3、本发明提供的这种增强纳米三明治品质因子的结构，金属介质层间加入的低折射率材料层能够有效地降低金属材料同介质材料分子界面的非辐射淬火效应，进而有效地抑制由金属材料带来的吸收损耗，提高纳米三明治结构内磁性等离子体模式Q值，特定结构下可实现Q值高达34％的提高。

4、本发明提供的这种增强纳米三明治品质因子的结构，金属介质层间加入低折射率材料层的思路，适用范围广，可用于同类等离子体器件的性能改善。

5、本发明提供的这种增强纳米三明治品质因子的结构，采用普遍的各类薄膜生长、半导体外延生长方法加工制作，可重复性好，器件制作工艺简单。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1为本发明提供的三维坐标下传统金属-介质-金属纳米三明治结构示意图以及产生磁性等离子体谐振的激励源电磁场偏振方式，xyz坐标中心原点位于纳米三明治结构几何中心。

图2(a)为本发明提供的三维坐标下增强纳米三明治品质因子的结构示意图，图2(b)为本发明提供的纳米三明治结构参数，a为金属层厚度、b为介质层厚度、d为低折射率介质层厚度，c为x＝0剖面边长，xyz坐标中心原点位于纳米三明治结构几何中心。

图3为本发明提供的纳米三明治内磁性等离子体模式品质因子Q随低折射率介质层厚度d的变化情况。

图4为本发明提供的新型与传统纳米三明治内磁性等离子体模式品质因子Q随介质层总厚度变化的比较情况。

具体实施方式

本发明提供了这种增强纳米三明治品质因子的结构，是通过在纳米三明治结构是在上下金属与中心层之间加入新的上、下低折射率介质层，进而抑制纳米三明治腔体非辐射损耗，提高纳米三明治腔体品质因子

如图1所示，本发明提供一种增强纳米三明治结构品质因子的结构，包括：

一下金属层10，金属层10可以是金、银等各类金属材料；

一介质层11，该介质层11制作在下金属层10上，所述介质层11包括：

一下低折射率介质层111，下低折射率介质层可以是相比中心层折射率较低的各类介质材料；

一中心层112，该中心层112制作在下低折射率介质层111上，所述中心层112的材料是硅、砷化镓或磷化铟等各类材料；

一上低折射率介质层113，该上折射率介质层113制作在中心层112上，上低折射率介质层可以是相比中心层折射率较低的各类介质材料；

其中所述下低折射率介质层111和上低折射率介质层113的折射率小于中心层112的折射率；

其中所述下低折射率介质层111和上低折射率介质层113的材料是玻璃或者是二氧化硅；

一上金属层12，该上金属层12制作在介质层11上，金属层可以是金、银等各类金属材料；

其中所述下、上金属层10、12及介质层11的形状是圆形、椭圆形、正方形或者是矩形等各类图形；

其中所述纳米三明治结构的各层厚度、长度在几十到几百纳米范围内；

其是通过降低纳米三明治腔体的非辐射损耗的途径，提高纳米三明治腔体品质因子；

其中所述纳米三明治结构的工作波长，覆盖红外到远红外波段；

该类新型纳米三明治结构，可用于克服衍射极限的极小尺度激光器、波导以及高度集成化的光学集成芯片的制作；

其中所述增强金属-介质-金属类的纳米三明治品质因子的新型结构，所述设计方案可适用于各种形状及材料的该类金属-介质-金属三层结构。

实施例

请再参阅图1为本发明提供的三维坐标下传统的增强纳米三明治品质因子的结构示意图，xyz坐标中心原点位于纳米三明治结构几何中心，金属层材料为金，服从德鲁德色散关系，色散参数：等离子体频率ω_p＝1.37×1016rad/s、阻尼衰减频率ω_τ＝40.69×1012rad/s。纳米三明治结构介质层材料折射率为3.4(可选用磷化铟等各类半导体材料)，外部环境为空气。

如图2所示，图2为本发明提供的三维坐标下增强纳米三明治品质因子的结构示意图，xyz坐标中心原点位于纳米三明治结构几何中心，金属层材料为金，服从德鲁德色散关系。纳米三明治结构介质层材料折射率为3.4，低折射率介质层材料折射率为1.5(可选用二氧化硅等材料)，外部环境为空气。a为金属层厚度，b为介质层厚度，d为低折射率介质层厚度，c为x＝0剖面边长。

如图3所示，图3为本发明提供的纳米三明治结构内产生磁性等离子振荡的激励方式以及磁性等离子体模式特性。磁性等离子体振荡产生后，两金属层将会产生感生电流，磁场主要集中在两金属层中间的介质层中。

本实例的计算结果如图4、图5所示，图4为本发明提供的新型纳米三明治结构内磁性等离子体模式品质因子Q随低折射率介质层厚d的变化情况，其中a＝50nm，b＝50nm，c＝200nm(该图为时域有限差分方法模拟结果)，如图所示当d小于5nm时，低折射率介质层厚度还不能有效抑制金属吸收损耗，随着d的增加，等离子体模式Q值增加；当d大于5nm后，低折射率层厚度已经足够抑制金属吸收损耗，而更大的增加层厚d将增加等离子体模式的辐射损耗，进而使模式Q值降低。两类损耗机制之间的平衡决定了特定的纳米三明治结构需要特定的低折射率介质层厚来实现最优化的Q值增强。

如图5所示，图5为本发明提供的新型与传统纳米三明治内磁性等离子体模式品质因子Q随介质层总厚度变化的比较情况，其中a＝50nm，c＝200nm，低折射率介质层厚度d＝5nm，介质层厚度b由30变化到70nm，(该图为时域有限差分方法模拟结果)。低折射介质层加入后，纳米三明治结构Q值得到了较大提升，例如当介质层总厚度为40nm时，新型结构的Q值为45.2，比传统结构Q值33.7高出34％，而介质层总厚度由50增加到80nm的所有的新型结构都比传统结构拥有更高的Q值。由本实例可知，该类新型纳米三明治结构能够有效改良等离子体模式损耗状况，提高模式品质因子Q。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种增强纳米三明治品质因子的结构，包括：

一下金属层；

一介质层，该介质层制作在下金属层上；

一上金属层，该上金属层制作在介质层上；

2.根据权利要求1所述的增强纳米三明治结构品质因子的结构，其中所述介质层包括：

一下低折射率介质层；

一中心层，该中心层制作在下低折射率介质层上；

3.根据权利要求1所述的增强纳米三明治结构品质因子的结构，其中所述下金属层和上金属层的材料是金、银、铅或者是铜。

4.根据权利要求2所述的增强纳米三明治结构品质因子的结构，其中所述中心层的材料是硅、砷化镓或磷化铟。

5.根据权利要求2所述的增强纳米三明治结构品质因子的结构，其中所述下低折射率介质层和上低折射率介质层的折射率小于中心层的折射率。

6.根据权利要求2所述的增强纳米三明治结构品质因子的结构，其中所述下低折射率介质层和上低折射率介质层的材料是玻璃或者是二氧化硅。

7.根据权利要求1所述的增强纳米三明治结构品质因子的结构，其中所述下、上金属层及介质层的形状是圆形、椭圆形、正方形或者是矩形。

8.根据权利要求1所述的增强纳米三明治结构品质因子的结构，其中所述纳米三明治结构的工作波长，覆盖红外到远红外波段。