CN115438515B - 大厚度透明基底镀制金属薄膜的仿真与计算相结合的方法 - Google Patents

大厚度透明基底镀制金属薄膜的仿真与计算相结合的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115438515B
CN115438515B CN202211385825.0A CN202211385825A CN115438515B CN 115438515 B CN115438515 B CN 115438515B CN 202211385825 A CN202211385825 A CN 202211385825A CN 115438515 B CN115438515 B CN 115438515B
Authority
CN
China
Prior art keywords
transparent substrate
simulation
metal film
thickness
transmission matrix
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202211385825.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115438515A (zh
Inventor
文奎
黄贤俊
梁圆龙
刘文聪
刘培国
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National University of Defense Technology
Original Assignee
National University of Defense Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National University of Defense Technology filed Critical National University of Defense Technology
Priority to CN202211385825.0A priority Critical patent/CN115438515B/zh
Publication of CN115438515A publication Critical patent/CN115438515A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115438515B publication Critical patent/CN115438515B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

本申请涉及一种大厚度透明基底镀制金属薄膜的仿真与计算相结合的方法，首先分别对单一的金属薄膜和透明基底进行仿真，大大降低了仿真运行负荷，仿真速度大大提高，在进行仿真之前对透明基底进行了均匀切片化处理，只需选取其中一个透明基底切片进行仿真即可得到每一透明基底切片的散射参数，整体只需进行一个金属薄膜和一个透明基底切片的仿真，对所得散射参数进行计算得到其ABCD传输矩阵，进行多次级联运算得到整体层系结构的ABCD传输矩阵，反推得到整体层系结构光学响应特征，解决了现有技术中直接将超薄金属薄膜镀制在大厚度透明基底上后再进行整体仿真导致无法仿真或者仿真时间过长的问题。

Description

大厚度透明基底镀制金属薄膜的仿真与计算相结合的方法
技术领域
本申请涉及光学仿真技术领域，特别是涉及一种大厚度透明基底镀制金属薄膜的仿真与计算相结合的方法。
背景技术
随着集成电路技术的不断发展，在尖端加工领域已由传统的宏观尺度不断迈向微观尺度，一大批具备独特光学以及电学性能的微纳结构器件相继涌现。与传统的宏观光电器件相比，微型光电子器件不仅体积小、重量轻，而且功耗较低，这对于系统的小型化、集成化以及节能而言有着至关重要的作用。
目前，关于微纳结构的设计日渐丰富，主要以平面结构为主，通过将简单的平面二维结构进行阵列化排布后镀制在透明基底即可获得独特的性能表现。但是在实际应用中，由于透明基底厚度相比于响应波段而言大了几个数量级，从而导致在仿真设计时由于剖分网格过多而存在无法正常仿真或仿真时间较大等问题。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种大厚度透明基底镀制金属薄膜的仿真与计算相结合的方法，以便解决超薄金属薄膜与大厚度基底相结合后其整体无法进行软件仿真或仿真时间过长的问题。
一种大厚度透明基底镀制金属薄膜的仿真与计算相结合的方法，所述方法包括：
获取金属薄膜和透明基底，对所述透明基底进行均匀切片化得到多个透明基底切片；
对所述金属薄膜进行仿真，计算得到薄膜散射参数，选取所述多个透明基底切片中的其中一个透明基底切片进行仿真，计算得到切片散射参数；
根据所述薄膜散射参数计算所述金属薄膜对应的ABCD传输矩阵，根据所述切片散射参数计算所述透明基底对应的ABCD传输矩阵，将所述金属薄膜对应的ABCD传输矩阵和所述透明基底对应的ABCD传输矩阵输入微波网络，根据透明基底切片的数量和金属薄膜的数量进行多次级联计算，得到整体层系结构的ABCD传输矩阵，根据所述整体层系结构的ABCD传输矩阵反推得到整体层系结构的光学响应特征；所述整体层系结构为在透明基底上镀制金属薄膜而得。
上述大厚度透明基底镀制金属薄膜的仿真与计算相结合的方法，首先，分别对单一的金属薄膜和透明基底进行仿真，大大降低了仿真的运行负荷，仿真运算可并行实现，仿真速度大大提高，其次，由于在进行仿真之前，对透明基底进行了均匀切片化处理，只需选取其中一个透明基底切片进行仿真即可得到每一透明基底切片的散射参数，整体来说，只需进行一个金属薄膜和一个透明基底切片的仿真，然后对所得散射参数计算得到ABCD传输矩阵，最后将ABCD矩阵进行级联运算，所得整体层系结构的ABCD矩阵反推得到整体层系结构的散射参数，即整体层系结构的光学响应特征，解决了现有技术中直接将超薄金属薄膜镀制在大厚度透明基底上之后再进行整体仿真导致的无法仿真或者仿真时间过长的问题。
附图说明
图1 为一个实施例中大厚度透明基底镀制金属薄膜的仿真与计算相结合的方法的流程示意图；
图2 为在多层透明基底上镀制有超薄金属薄膜的分层结构示意图；
图3一个实施例中两层相同厚度的蓝宝石透明基底的直接仿真和微波级联理论计算透过率谱图；
图4一个实施例中仅含有刻蚀微纳结构的超薄金属薄膜的直接仿真和微波级联理论计算透过率谱图；
图5一个实施例中在透明蓝宝石基底上镀制一层带有微纳结构的超薄金属薄膜后再和一层透明蓝宝石基底级联的直接仿真和微波级联理论计算透过率谱图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种大厚度透明基底镀制金属薄膜的仿真与计算相结合的方法，包括以下步骤：
步骤102，获取金属薄膜和透明基底，对透明基底进行均匀切片化得到多个透明基底切片。
其中金属薄膜可以为超薄金属薄膜，其上刻蚀有微纳结构，一般来说，厚度在仿真时的响应波段的一倍以内的金属薄膜，可认为是超薄金属薄膜。
透明基底一般为大厚度透明基底，即，一般来说，厚度超过仿真时的响应波段的3倍，可认为是厚度过大。尤其是当透明基底厚度比仿真时的响应波段大几个数量级时，会导致仿真时间过长或无法仿真。
值得说明的是，本方法也适用于其他厚度的透明基底和金属薄膜，说明书中提到的具体尺寸，都只是作为选择的案例，即只要是基底和金属薄膜，都能进行切片化处理，然后仿真。
步骤104，对金属薄膜进行仿真，计算得到薄膜散射参数，选取多个透明基底切片中的其中一个透明基底切片进行仿真，计算得到切片散射参数。
本方法将整体多层结构划分为多个部分，即金属薄膜和多层材料相同且厚度较小的透明基底，金属薄膜进行一次仿真，透明基底切片进行一次仿真，整体上只需进行两次仿真，且对透明基底切片进行仿真相较于对原本的透明基底直接进行仿真，仿真负荷大大降低，仿真速度大大提高。
步骤106，根据薄膜散射参数计算金属薄膜对应的ABCD传输矩阵，根据切片散射参数计算透明基底对应的ABCD传输矩阵，将金属薄膜对应的ABCD传输矩阵和透明基底对应的ABCD传输矩阵输入微波网络，根据透明基底切片的数量和金属薄膜的数量进行多次级联计算，得到整体层系结构的ABCD传输矩阵，根据整体层系结构的ABCD传输矩阵反推得到整体层系结构的光学响应特征。
其中，整体层系结构为在透明基底上镀制金属薄膜而得。
假设将原本的透明基底均匀切片化得到n个厚度均为h2的透明基底切片，那么对切片散射参数计算得来的ABCD矩阵进行n级级联计算即可得到原本的透明基底的ABCD矩阵，然后将得到的原本的透明基底的ABCD矩阵与金属薄膜的ABCD矩阵再在进行一次级联计算即可得到整体层系结构的ABCD矩阵，将其反转计算即可得到散射参数S，即光学响应特征，包括反射率和透过率等，有效解决了实际应用中在大厚度透明基底上镀制超薄金属薄膜时，由于响应波段与结构尺寸数值相差较大，导致仿真无法正常运行或运行时间较长等问题。
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，金属薄膜的厚度h1为0.05-5um，金属薄膜刻蚀的微纳结构由周期性圆形阵列构成，周期性圆形阵列的半径为1.5um，周期为4um。
在一个实施例中，透明基底可采用蓝宝石，蓝宝石材料的厚度h2不限。
仿真实验采用CST Studio软件实现。具体实验环境参数设置为：根据Floquet定理，使用周期性边界条件，则在实际的CST Studio计算中只需考虑研究对象的一个周期单元结构。这样处理不但可以有效降低计算时间，而且还可以得到单元结构的电磁场分布。因此，单元结构X、Y边界设置为周期性边界条件，Z边界设置为开放边界条件，如图2所示，提供在多层透明基底上镀制有超薄金属薄膜的分层结构示意图。此外，采用自由电子气Drude模型对金属金材料进行描述，具体参数为：ωp =1.374e16 rad/s，γ =4.08e13 rad/s，ε∞=1。蓝宝石材料的折射率设置为1.62。
对于有任意数目端口的微波网络，我们可以采用Z、Y、S来进行表征。但是，实际上许多微波网络是由两个或两个以上的二端口网络级联组成的。在这种情况下，每个二端口网络用2*2的传输矩阵或ABCD矩阵来定义就会很方便。
二端口网络的ABCD矩阵可用流入端口的总电压和总电流定义如下：
V1=AV2+BI2 (1)
I1=CV2+DI2 (2)
或写成矩阵形式为：
Figure 862621DEST_PATH_IMAGE001
(3)
对于多个二端口网络的级联，可以表示为：
Figure 451866DEST_PATH_IMAGE002
(4)
同时，二端口网络的各参量转换为：
Figure 762761DEST_PATH_IMAGE003
(5)
Figure 49649DEST_PATH_IMAGE004
(6)
Figure 660758DEST_PATH_IMAGE005
(7)
Figure 889746DEST_PATH_IMAGE006
(8)
其中，V1为流入端口的总电压，V2为流出端口的总电压，I1为流入端口的总电流，I2为流出端口的总电流，S11为通过端口网络的输入反射系数，S 22为通过端口网络的输出透射系数，S12为通过端口网络的反馈系数，S21为通过端口网络的正向传输系数，Z0为特征阻抗。
散射S参数包括S11、S12、S21、S 22。可以知道，根据公式(5)~(8)，可分别得到透明基底切片的ABCD矩阵和金属薄膜的ABCD矩阵，然后将两个ABCD矩阵输入微波网络进行级联，具体根据公式 (4)实现，其中，n表示切片数与薄膜数的总和，对于均匀化切片得到的各个透明基底切片，其ABCB矩阵均一致，将切片的ABCD矩阵级联（n-1）次再与薄膜的ABCD矩阵级联一次，或者在切片的ABCD矩阵级联过程中穿插与薄膜的ABCD矩阵的级联计算均可以实现本方案，本方案对ABCD矩阵的级联计算顺序没有限制。可以理解，根据需要也可将金属薄膜进行均匀切片化，级联计算过程同上。完成ABCD矩阵级联的级联计算后，可以得到一个总的ABCD矩阵，其中包含的A、B、C、D中已经蕴含了整体层系结构的信息，此时再通过公式(5)~(8)反推即可得到整体层系结构的总S参数，即光学响应特征。
通过测量或理论分析，可获得这些作用的描述，并表示为二端口的“黑盒子”。过渡段的性质可用二端口网络的网络参量（Z,Y,S或ABCD）来表示。针对实际应用中较大尺寸（相对响应波段而言）的透明衬底或者膜层结构来说，在进行模型结构的仿真时往往会出现网格剖分过多导致程序运行负荷过大的情况，因此采用级联计算的方式可以很好地解决这一问题。
在一个实施例中，透明基底材料为蓝宝石材料（主要成分Al2O3），厚度为2.5um，如图3示，采用CST仿真软件对厚度为2.5um的蓝宝石材料进行仿真，所得S参数（即散射参数）进行计算得到其ABCD矩阵，通过微波级联理论进行两级级联，从而得到厚度为5um的蓝宝石的ABCD矩阵，最后通过反推计算得到其S参数。然后通过CST仿真软件直接对厚度为5um的蓝宝石进行仿真，所得S参数与进行两级级联后的2.5um的蓝宝石S参数比较。结果发现：通过仿真软件直接仿真的结果与先进行小厚度仿真，再将小厚度仿真结果进行级联的结果完全一致，说明当结构中只含有透明基底材料时，通过微波级联理论的方式进行计算与直接进行仿真的结果完全一致。
在一个实施例中，超薄金属薄膜材料为金材料，厚度分别为50nm和60nm。如图4示，我们采用CST仿真软件分别对厚度为50nm和60nm以及110nm的金薄膜进行仿真，通过对比结果发现：仿真软件直接仿真厚度为110nm的结果与先进行50nm和60nm厚度仿真，再将50nm和60nm厚度仿真结果进行级联的结果基本一致，说明当结构中只含有超薄金属薄膜材料时，通过微波级联理论的方式进行计算与直接进行仿真的结果基本一致。
在一个实施例中，超薄金属薄膜材料为金材料（Au），厚度为50nm；透明材料为蓝宝石材料，厚度为200nm。仿真分为三次：（1）对厚度为200nm的蓝宝石进行仿真；（2）对在厚度为200nm的蓝宝石透明基底上镀制50nm厚度且刻蚀有微纳结构的金薄膜结构进行仿真；（3）对在厚度为400nm的蓝宝石透明基底上镀制50nm厚度金薄膜结构进行仿真。如图5所示，通过对比结果发现：当直接仿真在厚度为400nm的透明基底上镀制50nm厚度的金属薄膜的结果与先仿真在厚度为200nm的透明基底上镀制50nm厚度的金属薄膜，然后再和200nm厚度的蓝宝石基底级联后的结果基本一致，即：仿真3的结果与仿真1级联仿真2的结果基本符合。
本发明通过微波级联理论，提出了将大厚度透明基底切片化仿真后再级联计算，从而有效解决了在大厚度透明基底表面镀制超薄金属薄膜后，由于响应波段与基底厚度相差太大而无法进行仿真或仿真时间过长等问题，一定程度上打破了仿真模拟和实际应用间的隔阂。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种大厚度透明基底镀制金属薄膜的仿真与计算相结合的方法，其特征在于，所述方法包括：
获取金属薄膜和透明基底，对所述透明基底进行均匀切片化得到多个透明基底切片；
对所述金属薄膜进行仿真，计算得到薄膜散射参数，选取所述多个透明基底切片中的其中一个透明基底切片进行仿真，计算得到切片散射参数；
根据所述薄膜散射参数计算所述金属薄膜对应的ABCD传输矩阵，根据所述切片散射参数计算所述透明基底对应的ABCD传输矩阵，将所述金属薄膜对应的ABCD传输矩阵和所述透明基底对应的ABCD传输矩阵输入微波网络，根据透明基底切片的数量和金属薄膜的数量进行多次级联计算，得到整体层系结构的ABCD传输矩阵，根据所述整体层系结构的ABCD传输矩阵反推得到整体层系结构的光学响应特征；所述整体层系结构为在透明基底上镀制金属薄膜而得。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属薄膜刻蚀有微纳结构；所述微纳结构由周期性圆形阵列构成。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属薄膜的厚度为0.05-5um。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述周期性圆形阵列的半径为1.5um，周期为4um。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述透明基底采用蓝宝石。
CN202211385825.0A 2022-11-07 2022-11-07 大厚度透明基底镀制金属薄膜的仿真与计算相结合的方法 Active CN115438515B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211385825.0A CN115438515B (zh) 2022-11-07 2022-11-07 大厚度透明基底镀制金属薄膜的仿真与计算相结合的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211385825.0A CN115438515B (zh) 2022-11-07 2022-11-07 大厚度透明基底镀制金属薄膜的仿真与计算相结合的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115438515A CN115438515A (zh) 2022-12-06
CN115438515B true CN115438515B (zh) 2023-01-24

Family

ID=84253102

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211385825.0A Active CN115438515B (zh) 2022-11-07 2022-11-07 大厚度透明基底镀制金属薄膜的仿真与计算相结合的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115438515B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106198568A (zh) * 2015-05-24 2016-12-07 上海微电子装备有限公司 一种具有透明基底的薄膜的测量装置及测量方法
WO2021156713A1 (en) * 2020-02-07 2021-08-12 3M Innovative Properties Company Curable compositions for forming light scattering layers
CN113268912A (zh) * 2021-06-30 2021-08-17 中国计量科学研究院 一种分布式电阻衰减器的设计优化方法
WO2021233384A1 (zh) * 2020-05-20 2021-11-25 京东方科技集团股份有限公司 透明显示器件、仿真方法及制造方法
CN114383516A (zh) * 2021-12-06 2022-04-22 武汉颐光科技有限公司 一种薄膜厚度提取方法及系统
WO2022126933A1 (zh) * 2020-12-14 2022-06-23 苏州大学 波长选择性响应的光电探测器的制备方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6550743B2 (ja) * 2014-02-20 2019-07-31 株式会社リコー 分光特性取得装置、画像評価装置及び画像形成装置
US20200042667A1 (en) * 2015-07-15 2020-02-06 E-System Design, Inc. Modeling of Power Distribution Networks for Path Finding

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106198568A (zh) * 2015-05-24 2016-12-07 上海微电子装备有限公司 一种具有透明基底的薄膜的测量装置及测量方法
WO2021156713A1 (en) * 2020-02-07 2021-08-12 3M Innovative Properties Company Curable compositions for forming light scattering layers
WO2021233384A1 (zh) * 2020-05-20 2021-11-25 京东方科技集团股份有限公司 透明显示器件、仿真方法及制造方法
WO2022126933A1 (zh) * 2020-12-14 2022-06-23 苏州大学 波长选择性响应的光电探测器的制备方法
CN113268912A (zh) * 2021-06-30 2021-08-17 中国计量科学研究院 一种分布式电阻衰减器的设计优化方法
CN114383516A (zh) * 2021-12-06 2022-04-22 武汉颐光科技有限公司 一种薄膜厚度提取方法及系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BLT―FDTD时频结合分析传输线瞬态响应;王为等;《微波学报》;20100815;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN115438515A (zh) 2022-12-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Young Synthesis of multiple antireflection films over a prescribed frequency band
CN103064141B (zh) 太赫兹带通滤波器
Krč et al. Potential of light trapping in microcrystalline silicon solar cells with textured substrates
Aly et al. Superconductor-semiconductor metamaterial photonic crystals
Trabelsi et al. Tunable narrowband optical filters using superconductor/dielectric generalized Thue-Morse photonic crystals
US11378726B2 (en) Filter structure, filter layer and display panel
CN115438515B (zh) 大厚度透明基底镀制金属薄膜的仿真与计算相结合的方法
Thirupathaiah et al. Concurrent dual band filters using plasmonic slot waveguide
Jäger et al. Designing optimized nano textures for thin-film silicon solar cells
Pizarro et al. Considerations of impedance sensitivity and losses in designing inverted microstrip gap waveguides
Azunre et al. Guaranteed global optimization of thin-film optical systems
Nayak et al. Near-and mid-infrared bandgaps in a 1D photonic crystal containing superconductor and semiconductor-metamaterial
Çetinkaya et al. Functional optical design of thickness-optimized transparent conductive dielectric-metal-dielectric plasmonic structure
Luo et al. Shape modeling of microstrip filters based on convolutional neural network
Xiong et al. Real‐Time On‐Demand Design of Circuit‐Analog Plasmonic Stack Metamaterials by Divide‐and‐Conquer Deep Learning
Curran et al. On the modeling, characterization, and analysis of the current distribution in PCB transmission lines with surface finishes
Gasparyan et al. Reflection and transmission of radiation of the structure crystalline silicon–black silicon–perovskite
Rao et al. Optimal control of M/M/1 two-phase queueing system with state-dependent arrival rate, server breakdowns, delayed repair, and N-policy
Wang et al. A broadband model-based parameter estimation method for analyzing multilayer periodic structures
CN111064444A (zh) 一种异质薄膜结构延迟线型声表面波器件的设计方法
Huang et al. Suitability of metallic materials for constructing metal-coated dielectric terahertz waveguides
Zheng et al. Stock trend prediction based on ARIMA-LightGBM hybrid model
Belenguer et al. Krylov's solver based technique for the cascade connection of multiple n-port multimodal scattering matrices
Xu et al. Transmittance enhancement of micro-grating structure sapphire with high-refractive index Y2O3 layer
Ma et al. A machine learning methodology for inferring network S-parameters in the presence of variability

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant