CN111694078A - 一种mim格点阵等离激元吸收器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种MIM格点阵等离激元吸收器，其包括介质基底和周期性条状纳米阵列组成，每个周期单元结构为在基底上以两个三层等大长方体块组成，一块为两个金属层夹介质层，另一块为两个介质层夹金属层。本发明在入射光为电场方向沿X轴极化的情况下，其在金属纳米颗粒阵列中可以激发非平面格点阵等离激元，使相邻的纳米金属单元之间产生较强的耦合共振，在特定的结构参数下就会对入射光产生特定的吸收峰。本发明相比于与其它基于阵列的等离激元吸收器具有较高的品质因数，MIM格点阵等离激元吸收器在微纳光学集成器件领域具有着潜在的应用前景。

Description

一种MIM格点阵等离激元吸收器
(一)技术领域
本发明涉及微纳光子学技术领域，具体是一种MIM格点阵等离激元吸收器。
(二)背景技术
表面等离子共振(SPR)是一种光学现象。从20世纪90年代以来，基于SPR原理的新型生物传感分析技术，检测生物传感芯片(biosensor chip)上配位体与分析物之间的相互作用情况，由于无需进行标记、无需纯化各种生物组分、且对生物分子无任何损伤等优点，可被用来实时跟踪在天然状态下生物分子间的相互作用。表面等离子体共振由于极大地增强了局域光场强度、提高了光与物质之间的相互作用，被广泛应用于传感、成像、纳米激光、非线性光学、调制和探测等领域。基于此，等离激元吸收器被提出并加以研究，其许多明显优势吸引着越来越多的研究人员去探索。
表面等离极化激元(Surface Plasmon Polaritons，SPPs)是金属表面区域自由电子的振荡频率与入射光波的频率一致时产生的一种电子集体振荡,是一种沿金属表面进行传播的电荷密度波。在垂直界面的方向上其光场振幅呈指数形式衰减，基于SPPs的光子器件可以突破传统光学衍射极限,能够将光束缚在亚波长结构中进行传播。因此,基于SPPs的光子器件具有更小的模式尺寸,有利于光子器件的集成化发展,实现微纳米量级的光操纵。
金属-介质-金属(Metal-Insulator-Metal，MIM)因具有对光较强的局域能力、场空间局域增强、结构简易且易实现高密度集成等优点，被广泛应用于各类光子器件的研究中，如滤波器、生化传感器、光开关。随着高灵敏检测技术在传感器领域的发展，基于SPPs的MIM波导结构及Fano共振等光学现象成为微纳光学领域的热点。其中,Fano共振是凝聚态物理中共振过程与非共振过程之间的量子干涉，其共振线具有明显的不对称性以及对结构参数和周围环境的异常敏感性。MIM格点阵等离激元吸收器与其它基于等离激元的吸收器相比有更高的品质因数，工作时仅对特定入射方向的平面光波起作用，可随入射光的入射方向进行动态调谐，并且MIM格点阵等离激元吸收器材料单一，周期性强，具备加工简单的优点。
(三)发明内容
本发明的目的是设计一种MIM格点阵等离激元吸收器，以客服现有技术存在的问题。
一种MIM格点阵等离激元吸收器，由介质基底和具有周期性的条状纳米阵列构成，每个周期单元结构为在基底上以两个三层等大长方体块组成，一块为两个金属层之间夹着介质层，另一块为两介质层之间夹着金属层相对于介质基底竖立垂直地放在其上方，所有周期单元在基底上面呈矩阵形式排列。入射光为电场方向沿X轴极化，透射光从金属纳米颗粒阵列下方射出，反射光从金属纳米颗粒阵列上方射出。在原始的介质基底上对纳米格点阵列的结构进一步的研究，通过改变单元纳米阵列的金属层厚度、纳米块间隔和工作环境介质的折射率等参数，可以发现此结构能够有效的调节本MIM格点阵等离激元吸收器的吸收率、共振波长等性能。
所述每周期单元结构中长方体块金属层的厚度可以任意符合MIM格点阵等离激元吸收器工作条件的厚度，为了获得吸收器的最佳特性，采用金属层厚度为100nm。
所述每周期单元结构中两长方体块的间隔以及与边缘的距离可以任意符合MIM格点阵等离激元吸收器工作条件的间距，为了获得吸收器的最佳特性，采用间隔为90nm。
所述每周期单元结构工作环境折射率可以任意符合MIM格点阵等离激元吸收器工作条件的环境折射率，为了获得吸收器的最佳特性，采用折射率为1.00。
所述基底介质材料可以任意符合横向MIM格点阵等离激元吸收器工作条件的材料，为了获得吸收器的最佳特性，使用折射率n＝1.52的介质为基底材料。
所述每组纳米颗粒中两个长方体块中间的介质层可以任意符合横向MIM格点阵等离激元吸收器工作条件的介质材料，为了获得吸收器的最佳特性，使用二氧化硅作为介质层材料。
所述每组纳米颗粒中两个长方体块中间的金属层可以任意符合横向MIM格点阵等离激元吸收器工作条件的金属材料，为了获得吸收器的最佳特性，使用金作为金属层材料。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1.通过改变长方体块的结构参数和可以静态改变共振波长、吸收率以及品质因数。
2.相比其它等离激元吸收器，本横向MIM格点阵等离激元吸收器具有共振波长在可见光到近红外波段可灵活调节的特点。
3.因为在Y轴方向结构保持不变，而且每周期单元结构简单，同时也具备加工容易的特点。
(四)附图说明
图1为本MIM格点阵等离激元吸收器的三维立体结构示意图。
图2为本MIM格点阵等离激元吸收器的每组金属纳米颗粒三维立体结构示意图。
图3为每组纳米颗粒金属层a＝60nm～180nm范围内变化时得到的本MIM格点阵等离激元吸收器的吸收光谱图。
图4为两纳米颗粒的间隔m＝70nm～190nm范围内变化时得到的本MIM格点阵等离激元吸收器的吸收光谱图。
图5为本MIM格点阵等离激元吸收器工作的环境介质n＝1.00～1.10范围内变化时得到的本MIM格点阵等离激元吸收器的吸收光谱图。
图中标号：1、介质基底；2、条状纳米阵列；3、周期性纳米阵列金属层；4、周期性纳米阵列介质层。
(五)具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合实施例及附图对本发明作进一步解释说明，以下实施例仅对本发明进行说明并非对其加以限制。
图1所示为本MIM格点阵等离激元吸收器的三维立体结构示意图。基底1折射率为1.52，基底上竖直放置着很多组组纳米阵列，每组金属纳米颗粒由两个等大的长方体块构成，一块为两个金属金层夹折射率为1.43的介质层，另一块为同种两介质层夹金属层，三个金属层的厚度都为a。
图2所示为本MIM格点阵等离激元吸收器每组金属纳米颗粒的三维立体结构示意图。两长方体高固定为450nm。在工作最佳时，每组纳米颗粒的金属层厚度a为120nm、间距m＝150nm,整个结构工作在n＝1的环境中。
本发明工作时：入射的平面光波的偏振方向(电场方向)在XZ平面内，电场方向沿X轴极化，从而可以在金属纳米颗粒阵列中激发非平面格点阵等离激元，相邻的纳米金属单元之间会产生较强的耦合共振，在特定的结构参数和入射角下就会对入射光产生特定的吸收峰，并且相比于与其它基于周期阵列的等离激元吸收器具有很高的品质因数。改变金属长方体块的结构参数和金属纳米颗粒阵列的周期可以改变吸收峰的偏移。
本发明的工作思路是：在结构参数固定和初始值的条件下进行展开工作。每周期单元结构基底固定宽1000nm，长方体块高度固定为h＝450nm。①当每个纳米阵列的中金属层的厚度a＝60nm～180nm范围内变化时，所得出的吸收光谱结果如图3所示；②当每个纳米阵列的中两长方体块的间隔m＝70nm～190nm范围内变化时，所得出的吸收光谱结果如图4所示；③当整个结构工作环境折射率在n＝1.00～1.10内改变时，所得出的吸收光谱结果如图5所示。
图3为每组纳米阵列中两长方体间距固定为m＝130nm，金属层的厚度a＝60nm～180nm范围内变化时，所得出的吸收光谱图。图中的横坐标表示平面光的入射波长，纵坐标表示对入射平面光波的吸收系数，也称为吸收率，在图中可见每周期单元结构金属层厚度a分别为60nm、80nm、100nm、120nm、140nm、160nm、180nm时仿真所得七条不同的吸收光谱曲线。由图中的结果可见，随着高度a的增加，本MIM格点阵等离激元吸收器的吸收峰逐渐红移，吸收系数先增大后减小，当a＝100nm时最大。因而随着纳米阵列金属层的厚度在60nm～180nm范围内增加时本MIM格点阵等离激元吸收器性能先增强后减弱，当a＝100nm时，两峰值的吸收系数分别为0.72、0.68，两共振峰波长分别为926nm、1504nm。
图4为每组纳米阵列中金属层的厚度固定为a＝100nm，两长方体块的间隔以及与边缘的距离m＝70nm～190nm范围内变化时，所得出的吸收光谱图。图中的横坐标表示平面光的入射波长，纵坐标表示吸收率，在图中可见每周期单元结构两长方体块间隔m分别为70nm、90nm、110nm、130nm、150nm、170nm、190nm时仿真所得七条不同的吸收光谱曲线。由图中的结果可见，随着高度a的增加，本MIM格点阵等离激元吸收器的吸收峰逐渐蓝移，吸收系数先增大后减小，当m＝150nm时最大。因而随着纳米阵列金属层的厚度在70nm～190nm范围内增加时本MIM格点阵等离激元吸收器性能先增强后减弱，当m＝90nm时，两峰值的吸收系数分别为0.75、0.84，两共振峰波长分别为958nm、1534nm。
图5为当整个结构工作环境折射率在n＝1.00～1.10范围内变化时，所得出的吸收光谱图。图中的横坐标表示平面光的入射波长，纵坐标表示吸收率，折射率分别为1.00、1.02、1,04、1.06、1.08、1.10时仿真所得六条不同的吸收光谱曲线。由图中的结果可见，环境折射率n增加时，本MIM格点阵等离激元吸收器的吸收峰逐渐红移，吸收系数逐渐减小。因而整个结构工作环境折射率在n＝1.00～1.10范围内增加时，本MIM格点阵等离激元吸收器性能逐渐减弱。
以上所述实施方式仅是对本发明进行了具体说明，并非是限制于本发明范围，在不脱离本发明的原理前提下，凡是在本领域技术人员对本发明的技术方案做出各种等同的变形或改进，均视为在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种MIM格点阵等离激元吸收器。由介质基底(1)和具有周期性的条状纳米阵列(2)构成，每个周期单元结构为在基底上以两个三层等大长方体块组成，一块为两个金属层之间夹着介质层，另一块为两介质层之间夹着金属层相对于介质基底竖立垂直地放在其上方。每组金属纳米颗粒在基底上面以矩阵形式排列，入射光为电场方向沿X轴极化，透射光从金属纳米颗粒阵列下方射出，反射光从金属纳米颗粒阵列上方射出。
2.根据权利要求1所述的一种MIM格点阵等离激元吸收器，其特征在于：每组纳米颗粒由两个相对的等大长方体块构成，一个为两金属层之间夹着介质层，另一块为两介质层之间夹着金属层。
3.根据权利要求1所述的一种MIM格点阵等离激元吸收器，其特征在于：入射光为电场方向沿X轴极化。
4.根据权利要求1或2所述的一种MIM格点阵等离激元吸收器，其特征在于：每组纳米颗粒中两长方体块的高度h为450nm，基底宽度为1000nm，金属层厚度a介于60nm～180nm之间，两个相对长方体块的间距等于长方体块与基底边缘距离m介于70nm～190nm之间。
5.根据权利要求1所述的一种MIM格点阵等离激元吸收器，其特征在于：其工作环境折射率n介于1.00～1.10之间。
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