CN102981199A - 表面等离子体纳米环滤光器 - Google Patents

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姜潇潇
谷琼婵
吕江涛
马振鹤
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    • G02B5/008—Surface plasmon devices

Abstract

本发明涉及一种表面等离子体纳米环滤光器，设有基层材料，在基层材料上粘贴有贵金属膜，所述贵金属膜上设有用聚焦离子束刻蚀方法加工的圆环矩阵，所述圆环矩阵中的每个圆环的内径和外径可根据不同的单色光预先设定，所述基层材料采用石英、玻璃中的一种，进一步的所述贵金属膜采用金属金、银、铂中的一种制成。该表面等离子体纳米环滤光器运用高度对称的圆环结构解决了天线凹槽和一维层堆光栅型滤光器部普遍存在的偏振敏感性问题，使得类似滤光器件的应用范围更广，更能适应非偏振的自然光。

Description

表面等离子体纳米环滤光器
技术领域
本发明属于一种光功能器件，特别是一种滤光器，具体是一种具有纳米环结构的滤光器。
背景技术
自1998年法国科学家Ebbesen等人首次发现光在金属亚波长结构中的异常传输现象(extraordinary optical transmission，EOT)[1]以来，有关表面等离子体的相关研究已经取得了广泛的关注和长足的发展。运用表面等离子体原理所制备的器件具有分辨率高、易调制、性能卓越等优点，并且已经在光电、新能源(太阳能电池)、数据存储、显微成像等领域取得了广泛的应用。其中，尤其以滤光器件的发展最为迅速，应用前景也最为广阔。英国科学家Pendry分别于2000年和2006年提出了具有负折射率的超级透镜[2]以及通过坐标变换方法[3]得到隐身条件的概念，使得科学界重新认识和审视超常介质的异常电磁特性和隐身效应及其相关应用。随后，Ebbesen课题组于2008年再次提出运用周期结构的线性凹槽光栅对宽带(broadband)白光源进行滤光[4]的方法，为滤光器件的发展开启了新的纪元。Ebbesen等人设计的结构如图1(a)中所示，用一束白光源照射到一个位于300纳米厚的银膜中宽度为170纳米的缝隙的下表面，在上表面一端此缝隙的两侧分别刻蚀出深度不同的凹槽。纳米缝隙两侧的凹槽可以起到天线的作用，收集透射过纳米缝隙的光信号，而且透射过来的信号波峰的位置与天线凹槽的周期大小紧密相关。因此，通过使用不同周期的天线凹槽，可以精确控制透射过纳米缝的光波长，进而达到分光的效果。随后，在2010年，L.Jay Guo课题组提出运用一维金属-绝缘体-金属(metal-insulator-metal，MIM)层堆结构[5]对宽带的白光源进行分光，如图1(b)中所示。一维的周期光栅结构对于白光源也具有波长选择性，并且波峰的位置可以通过调制光栅的周期进行精密的控制。紧接着，同一课题组的科研人员又把类似的滤光器结构内嵌入有机太阳能电池[6]中，并且收到了非常好的能量捕获效果。随后，光子晶体滤光器[7]、硅纳米线滤光器[8]和“十字形”滤光器[9]先后被报道，使得类似的器件得到了充分的研究并引起了科学界的广泛重视。但是，不论是一维的凹槽天线/层堆线性光栅结构还是“十字形”结构，都对入射光源的偏振方向具有很强的选择要求。因为一维的凹槽和层堆光栅本身都是非对称的结构，所以只有当入射光磁场方向平行于凹槽或光栅(横磁波，transverse-magnetic wave)才具有分光效果。而在现实生活中，大部分光源都是非偏振的自然光(如太阳光)。因此，线性结构的偏振选择性大大限制了此类滤光器件的适用范围。此外，由于偏振敏感性会造成一部分光能量无法透过滤光器而是被反射或吸收，使得类似滤光器的透射效率很低，降低了仪器的使用性能。
发明内容
为解决线性光栅/凹槽类滤光器所存在的偏振敏感性问题，本发明提出一种表面等离子体纳米环滤光器，该表面等离子体纳米环滤光器运用高度对称的圆环结构解决了天线凹槽和一维层堆光栅型滤光器都普遍存在的偏振敏感性问题，使得类似滤光器件的应用范围更广，更能适应非偏振的自然光。
本发明是通过以下技术方案来实现的：表面等离子体纳米环滤光器，其特征是在于：设有基层材料，在基层材料上粘贴有贵金属膜，所述贵金属膜上设有用聚焦离子束刻蚀方法加工的圆环矩阵，所述圆环矩阵中的每个圆环的内径和外径可根据不同的单色光预先设定。
进一步的所述基层材料采用石英、玻璃中的一种。
进一步的所述贵金属膜采用金属金、银、铂中的一种制成。
本发明提出了纳米圆环[10，11]结构，如图2所示。由于圆环结构在平面内高度对称，故这种结构对于非偏振光(如自然光)依然适用。纳米环结构还具备另一个非常突出的优点，那就是单个元素也具备分光功能。也就是说，当我们只使用一个圆环时，通过控制孔径的大小，就可以将一束白光分成单色光。因为通过对圆环孔径大小(圆环的内、外径之差)的控制来调制传输型表面等离子共振峰的位置，而非圆环阵列的周期。之所以做成阵列结构，是为了增强透射效果(单个圆环由于透射区域过小可能会导致相对较低的透射能最)。本发明的主要创新之处在于通过运用高度对称的圆环结构解决了天线凹槽和一维层堆光栅型滤光器都普遍存在的偏振敏感性问题，使得类似滤光器件的应用范围更广，更能适应非偏振的自然光。比如，当纳米环滤光器被嵌入到表面等离子体型太阳能电池中时，圆环结构对入射光的偏振状态的不敏感性可以使得更多的能量在光电转换过程中被捕获，进而大幅度提高太阳能电池的光电传换效率。此外，纳米环的分光机理不同于周期结构的凹槽和一维光栅，单个圆环元素就可以具备滤光效果，因此这种滤光器可以实现超小像素(＜1微米)，进而实现在同等形状和大小的显示屏内达到分辨率最大化的目标。本发明的另一主要优点是解决了偏振选择性问题使得透射的光能量增加从而使得滤光器透射效率大幅提升。此外，纳米环结构与现有的液晶显示技术具有良好的兼容性，可以进一步实现动态可调的调制类滤光器。
附图说明
图1.(a)由Ebbesen等人提出的凹槽天线光子选择器的工作原理。
(b)由Guo等人提出的一维层堆结构滤光器的工作原理。
图2.是本发明所提出的纳米环表面等离子体滤光器的工作原理。
图3.(a)透射型纳米环滤光器示意图。
(b)圆环阵列中单个圆环的扫描电子显微镜图。
图4纳米环滤光器的工作原理。
图5.(a)具有不同孔径大小的纳米环滤光器将一束白光滤成单色光。(b)有限时域差分法模拟仿真得到的圆环表面(上排)和内部(下排)电场强度分布图。
图6.(a)纳米环阵列的原子力显微图。
(b)纳米环阵列的扫描电子显微镜斜视图(斜视角度35°)。
图7.纳米环组成“NEU”字样在白光照射下呈现出不同颜色的输出。
图8.圆环阵列将一束宽带白光源过滤成单色光。
图9是单个圆环结构示意图，其中(a)为俯视图，(b)为截面图。
图10.圆环阵列整体示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：
实施例：参见附图2，表面等离子体纳米环滤光器，设有基层材料，在基层材料上粘贴有贵金属膜，所述贵金属膜上设有用聚焦离子束刻蚀方法加工的圆环矩阵，所述圆环矩阵中的每个圆环的内径和外径可根据不同的单色光预先设定；所述基层材料采用石英；所述贵金属膜采用金属金制成。
本发明以纳米环结构为基础，采取有限时域差分法进行理论上的模拟和计算，为实验上的制备和测试指明方向，实现最优化的参数设计。随后，通过实验制备实现所设计的滤光器件并对制成的器件进行性能测试和分析。研究过程完整、充分，所采取的制备方法先进、易实现、成本低，测试方法完善，能够对器件完成全面的分析和评估。如图3(a)所示，圆环形滤光器工作在透射状态下，当一束白光源从衬底方向入射到器件表面时，在器件的另一侧实现分光，同时也可对透射的信号进行采集与分析。图3(b)所示为所制备的圆环形滤光器的扫描电子显微镜图。由于圆环阵列中的每一个单独元素都具备分光的功能，因此这种滤光器可以实现超小的像素。图3(b)中的圆环外径为450纳米，内径为400纳米，可在1微米以下的尺寸范围内实现分光(苹果公司的产品iphone4的像素为78微米)。图4展示了本滤光器的工作原理：通过使用固定圆环阵列的周期面只改变圆环孔径大小的办法来实现调节传输型共振并达到滤波的效果；同时，通过控制圆环阵列的周期使其足够大，从面使得平面型共振峰位于近红外波段，以避免对处于可见光波段的传输型共振模式形成干扰，最终制备出滤光器.实验中，使用周期固定为1200纳米而孔径大小从10纳米到160纳米变化的同轴圆环结构，实现把一束宽带(broadband)的白光源分成不同颜色的单色光。图4显示纳米环在共振发生时(760nm)相较于共振没有发生时(640nm)表面处电场分布可以有显著的增强。
该方法可以有效解决天线凹槽和一维层堆光栅型滤光器都普遍存在的偏振敏感性问题，使得类似滤光器件的应用范围更广，更能适应非偏振的自然光.此外，通过有限时域差分法计算得到的理论结果并和实验结果匹配得非常好，使得实验现象得到充分的理论支持和数学解释。当使用内径固定不不变、而只改变外径大小从而调节圆环孔径的不同阵列时，可将一束宽带的白光源过滤成单色光，正如图5(a)中所展示。此外，通过有限时域差分的计算方法，可以模拟仿真得到在共振发生和末发生的情况下圆环表面及其内部空间的场强分布图。从图5(b)中可以看出，当共振发生时(左列)场强最大值比共振未发生时(右列)可有效增大约50倍。另外，不论从俯视图(上排)还是截面图(下排)都可以看出，光的能量可以被很好的限制在圆环区域内，也就是说制备的滤光器的损耗很小，相对较高的透射效率。
本发明中的纳米环结构采用聚焦离子束刻蚀方法制备。相较于其他制备方法，聚焦离子束刻蚀法具有不可替代的优势。比如，相比电子与固体相互作用，离子在固体中的散射效应较小，并能以较快的直写速度进行小于50纳米的刻饰，故而聚焦离子束刻蚀是纳米加工的一种理想方法。此外，聚焦离子束技术的另一优点是在计算机控制下的无掩膜注入，甚至无显影刻蚀，直接制造各种纳米器件结构。在使用聚焦离子束刻蚀法时，还可通过转动样品台使其偏过一定角度的方法对器件的侧壁进行检验。如图6(b)所示，扫描电子显微镜斜视图显示所制备的纳米环结构具备比较均一的侧壁和相对较为平滑的器件表面，与图6(a)中所示的原子力显微图所展示的纳米环表面相一致。更为重要的是，离子束刻蚀法具有极大的自由度，可以制备几乎各种形状和类型的纳米器件。如图7中所展示，我们可以用纳米环组成“NEU”字样(东北大学英文名称Northeastern University的缩写)。除此之外，离子束刻蚀技术还可以用来制备诸如纳米柱、纳米梢、纳米臂等多种器件，使得生产更多在纳米量级的光学和电子器件成为可能。
本发明旨在研究纳米环滤光器的分光效果并最大幅度提高滤光器的性能和透射效率。主要解决目前其他类型已存在的滤光器件的偏振敏感性问题和使得透射达到最大化的目标。由本技术所研发的滤光器件可以广泛应用于成像、显示和滤波领域，又因为本器件所具有的良好兼容性和高分辨率等巨大优势，相信这类器件会有非常广阔的发展空间和巨大的发展潜力，并对新一代显示成像技术产生深远的战略影响。此外，由于类似器件的制造采用贵重金属为原材料，因此所有结构都非常稳定，有着超长的使用寿命。通常，只要没有人为的破坏，此类滤光器都会一直正常工作，尤其是当采用金(Au)这种非常稳定且不易被氧化的材料时。更进一步的，这种滤光器件工作在可见光波段，只需通过改变器件的结构参数(如孔径大小、周期、形状等等)就可以将其工作频率移至近红外波段，从而制备成近红外光谱分析仪。这样的近红外光谱分析仪还具备性能良好稳定且能准确再现各种所保存的数据等诸多优点。由于用于成像和显示的器件应用广泛，因此存在着巨大的经济效益。更因为类似器件与现有液晶显示屏的工作原理相兼容，可以使得本滤光器在显示器领域大有作为。以苹果公司的最新产品iphone4为例，其所采用的视网膜成像技术(retina)相较于其早期产品所采用的传统显示技术有很大的突破，整个屏幕具备超高的像素密度(ppi)，将960×640的分辨率压缩到一个3.5英寸的显示屏内。而对于本项目中的纳米环结构而言，最小像素可达到小于1微米，那么对于相同大小的屏幕而言，像素密度可以进一步显著增高，从而实现在同等形状和大小的显示屏内达到分辨率最大化的目标。因此，我们有理由相信类似的纳米环滤光器具有非常大的潜力。

Claims (3)

1.一种表面等离子体纳米环滤光器，其特征是在于：设有基层材料，在基层材料上粘贴有贵金属膜，所述贵金属膜上设有用聚焦离子束刻蚀方法加工的圆环矩阵，所述圆环矩阵中的每个圆环的内径和外径可根据不同的单色光预先设定。
2.根据权利要求1所述的表面等离子体纳米环滤光器，其特征是在于：所述基层材料采用石英、玻璃中的一种。
3.根据权利要求1所述的表面等离子体纳米环滤光器，其特征是在于：所述贵金属膜采用金属金、银、铂中的一种制成。
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