基于金属-介质-金属银纳米环阵列结构的光吸收特性_王兆华.pdf

第3 4卷 第4期光 散 射 学 报V o l.3 4 N o.42 0 2 2年1 2月THEJ OUR NA LO FL I GHTS C A T T E R I NGD e c.2 0 2 2收稿日期:(2 0 2 2-0 5-0 9),修改日期:(2 0 2 2-0 5-2 7)基金项目:陕西省教育厅专项项目(2 0 J K 1 0 0 6);榆林市科学技术局项目(C X Y-2 0 2 0-0 0 6-0 4)作者简介:王兆华(1 9 8 4-),女,副教授,主要从事金属纳米结构的表面等离激元共振特性研究.E-m a i l:w a n g z h a o h u a 8 4 1 1 0 21 6 3.c o m通讯作者:王兆华(1 9 8 4-),女,副教授,主要从事金属纳米结构的表面等离激元共振特性研究.E-m a i l:w a n g z h a o h u a 8 4 1 1 0 21 6 3.c o m文章编号:1 0 0 4-5 9 2 9(2 0 2 2)0 4-0 2 7 3-0 5基于金属-介质-金属银纳米环阵列结构的光吸收特性王兆华*,高万芳,张秋艳(榆林学院能源工程学院,榆林7 1 9 0 0 0)摘 要:本文设计了一种中红外等离激元共振吸收体,该吸收体采用三层结构,底层为银金属方形层,中间为二氧化硅方形介电层,顶层为银纳米环阵列。当入射光垂直于吸收体表面入射时,采用三维有限元法数值模拟了不同尺寸单元阵列的反射、透射和吸收光谱。结果表明:在波长2 9 0 0n m处获得了一个完美的吸收峰,半高宽达3 9 0n m,吸收率达9 7%,并且通过改变纳米环阵列的尺寸,共振波长的可调范围达4 0 0n m。关键词:中红外;银纳米环阵列;完美吸收中图分类号:O 4 3 3.5 文献标志码:A d o i:1 0.1 3 8 8 3/j.i s s n 1 0 0 4-5 9 2 9.2 0 2 2 0 4 0 0 2T h eO p t i c a lA b s o r p t i o nP r o p e r t i e so f t h eS t r u c t u r eb a s e do nM e t a l-d i e l e c t r i c-m e t a l S i l v e rN a n o r i n gA r r a y sWANGZ h a o h u a,GAO W a n f a n g,Z HANGQ i u y a n(C o l l e g e o fE n e r g yE n g i n e e r i n g,Y u l i nU n i v e r s i t y,Y u l i n7 1 9 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:I nt h i sp a p e r,w ed e s i g nap l a s m o n i ca b s o r b e rw i t hat h r e e-l a y e rs t r u c t u r e i nt h em i d-i n f r a r e dr e g i o n.T h eb o t t o m m e t a l l a y e r i sas i l v e rm e t a l s q u a r e l a y e r,t h em i d d l e l a y e ri sas i l i c o nd i o x i d ed i e l e c t r i c l a y e r,a n dt h et o pm e t a l l a y e r i ss i l v e rn a n o r i n ga r r a y s.Wh e nt h e i n c i d e n t l i g h t i sp e r p e n d i c u l a rt ot h ea b s o r b e rs u r f a c e,t h er e f l e c t i o n,t r a n s m i s s i o na n da b s o r p t i o ns p e c t r ao fd i f f e r e n t s i z ee l e m e n ta r r a y sa r en u m e r i c a l l ys i m u l a t e dw i t ht h et h r e e-d i m e n s i o n a l f i n i t ee l e m e n tm e t h o d.I t i s s h o w n t h a t ap e r f e c t a b s o r p t i o np e a k i s a c h i e v e da t aw a v e l e n g t ho f 2 9 0 0n m,w i t hah a l f-h e i g h tw i d t ho f 3 9 0n ma n da na b s o r p t i v i t yo f 9 7%.T h et u n a b l er a n g eo f r e s o n a n c ew a v e l e n g t h i s 4 0 0n mb yv a r y i n g t h ed i m e n s i o n s o f t h i s s t r u c t u r e.K e yw o r d s:m i d-i n f r a r e d;s i l v e rn a n o r i n ga r r a y;p e r f e c t a b s o r p t i o n1 引言等离子体纳米材料是最近发展起来的一种新型的完美吸收材料,其特殊性在于通过激发特定波长的等离激元共振获得选择性吸收1。人们利用最先进的纳米制造技术,提出了各种具有增强吸收的纳米结构2,并广泛应用于太阳能电池3、超材料4、光电探测器5、传感器6和热发射器7等领域。现有的吸收材料不仅具有单波段8、双波段9或多波段1 0的窄带吸收,而且还可以实现共振频率为GH Z1 1、TH Z1 2、红外1 3和可见波范围内的宽带吸收1 4。尽管以上设计表现出优异的吸收效率,但它们会受到相对带窄和缺乏可重构性的限制,并且结构都非常复杂,对设计和制造都有很大的要求。所以本文设计了一种中红外等离激元共振吸收体,与其他等离子体吸收体相比,该吸光 散 射 学 报 第3 4卷收体具有工作范围广、可重构性简单、偏振独立性和制造工艺简单等优势。凭借其超高的吸收特性,在传感器、探测和超材料等领域中具有很好的应用价值。2 结构设计本文采用三维(3 D)有限元法,设计了一种新颖的中红外超材料吸收体。顶层是简单的银纳米环阵列,由于强烈的电磁共振作用,表现出一个明显的吸收带。此外,由于单胞对称结构的存在,吸收共振对入射光的偏振也不敏感。中红外超材料吸收体由三层组成:底层为银(A g)金属方形层,其边长为a,厚度为b;中间为二氧化硅(S i O2)方形介电层,其边长和底部金属层一致,厚度为c;顶层为银纳米环阵列,每个圆环外半径为d,内半径为e,厚度为f,如图1所示。可以选择性地调整参数(a、b、c、d、e和f),以展示对该结构光学特性的操控。假设所有的纳米环阵列都在空气中,空气的折射率为1,数值模拟中使用银的介电常数来自J o h n s o n和C h r i s t y的实验数据1 5,并且其介电常数不随入射光频率变化,入射光垂直入射于吸收体表面。yxzOedfacb图1 中红外完美吸收体结构和入射偏振示意图F i g.1 S c h e m a t i co f t h eM i d-i n f r a r e db a n dp e r f e c t a b-s o r b e r s t r u c t u r ea n dt h e i n c i d e n tp o l a r i z a t i o n3 数值模拟和讨论为了研究金属-介质-金属银纳米环阵列材料的吸收特性,应用C o m s o l多物理场仿真软件数值分析不同尺寸单元材料的反射、透射和吸收光谱。x和y方向均采用周期性边界条件,z方向采用完美匹配层边界条件。当底部的A g层的边长a=5 6 0n m,厚度b=4 0n m;两金属层之间的S i O2介电层的厚度c=3 0n m;顶层银纳米环的外半径d=2 0 0 n m,内半径e=1 5 0 n m,厚度f=5 0 n m时,模拟结果如图2。图2中横坐标表示入射光的波长,纵坐标表示的是反射(R)、透射(T)和吸收(A)系数,且A=1-R-T。由于局域表面等离子体共振,即纳米环阵列与银膜之间的电磁偶极共振,在波长=2 5 0 0n m处获得了一个吸收率超过9 0%的完美吸收峰。1.00.80.60.40.20.0150020002500300035004000Wavelength(nm)Relection and TransmissionAbsorptionRTA图2 中红外完美吸收体的反射、透射和吸收光谱F i g.2 T h er e f l e c t i o n、t r a n s m i s s i o na n da b s o r p t i o ns p e c t r ao f t h eM i d-i n f r a r e dp e r f e c t a b s o r b e r 为了进一步研究中红外等离激元共振吸收体的可重构性,即等离子体共振对结构参数的依赖性,通过改变纳米环内外半径的尺寸,可以获得新的吸收峰,如图3。圆环高度、底层和中间层的尺寸不变,改变圆环内外半径e和d的尺寸。图3(a)为圆环外半径d=1 6 0n m,内半径e从8 0n m增加到1 3 0n m的反射和透射光谱。从图中可以观察到每一个内半径对应一个等离激元共振峰,因为表面等离激元共振产生于结构表面自由电荷的振荡,并导致正负电荷的聚集分布。同时随着内半径的增大,共振强度逐渐增强,谱线宽度变大。图3(b)为该结构的吸收光谱。当d=1 6 0n m、e=9 0n m时,在波长=1 7 0 0n m处出现了吸收峰。当d=1 6 0n m、e=1 3 0n m时,在波长=2 1 0 0n m处,吸收率高达9 5%。同时随着内半径的增大,吸收峰出现了红移。通过改变纳米环厚度的尺寸也可以来控制吸收带的宽度。其它结构参数不变,只改变纳米环厚度f。图4的结果表明,当厚度从3 0n m增加到7 0n m时,反射、透射和吸收峰出现了明显的蓝移,在2 0 0 0n m4 0 0 0n m光谱范围内,纳米环厚度f=5 0n m时,吸收体的吸收率最佳,吸收峰的半高宽为3 4 0n m。472第4期王兆华:基于金属-介质-金属银纳米环阵列结构的光吸收特性Wavelength(nm)Wavelength(nm)Reflection and TransmissionAbsorption1.21.00.80.60.40.20.01.00.80.60.40.20.0100010002000200030003000160-80O160-90S160-100W160-110F160-120J160-130X160-80160-90160-100160-110160-120160-130(a)(b)图3(a)纳米环内半径分别为8 0n m、9 0n m、1 0 0n m、1 1 0n m、1 2 0n m和1 3 0n m时,吸收体的反射、透射和(b)吸收光谱F i g.3(a)T h er e f l e c t i o n、t r a n s m i s s i o na n d(b)a b s o r p t i o ns p e c t r ao f t h e a b s o r b e r,t h e i