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MEMS金属/电介质光子晶体的强透射特性研究

肖功利  
【摘要】: MEMS红外气敏传感器因其利用气体的特征光谱进行测量而具有优越的选择性、灵敏度和稳定性。其中,其关键部件MEMS红外光源的研究近年来备受人们的关注。随着纳米等离子体晶体技术的发展,人们注意到利用二维金属亚波长圆孔(孔直径不超过入射光波长的一半)阵列[Two-Dimensional MetallicSubwavelength Hole Arrays(TDMSHA)]具有对特定波长光的选择与强透射[Extraordinary Optical Transmission(EOT)]特性,有望为研制对特定范围的红外光波有很好的选择和增强透射作用的MEMS红外辐射光源提供了一个有效的手段。 本文以MEMS红外气敏传感器为应用目标,采用MEMS技术,设计和制作一种由TDMSHA和硅—空气光子晶体组合成的金属/电介质光子晶体[Metal/Dielectric Photonic Crystal(MDPhC)]结构。目的是利用MDPhC对黑体热辐射光谱有增强透射和滤波剪裁特性来制作能够发射高性能、可调谐窄带的等离子体MEMS红外光源。论文主要研究了三种结构,即MDPhC、金属/金属/电介质光子晶体[Metal/Metal/Dielectric Photonic Crystal(M/MDPhC)]和金属/电介质/金属/电介质光子晶体[Metal/Dielectric/Metal/Dielectric Photonic Crystal(M/D/MDPhC)],系统地探讨了这三种结构的EOT新现象、新特性对提高等离子体MEMS红外光源的选频与光辐射增强特性的影响,为MEMS红外气敏传感器的应用提供理论基础和技术支持。 本文主要研究内容和成果如下: 1.研究了由TDMSHA和硅—空气光子晶体组合而成的MDPhC结构,探讨了几何尺寸横向比例即圆孔半径同阵列周期的比值(r/a_0=0.2,0.25,0.3)对MDPhC在金属/空气界面中表面等离子体激元[surface plasmon polaritons(SPP)](1,0)基态模式的EOT特性的影响。在课题组设计和制作的金/二氧化硅/硅MDPhC结构基础上,对该结构进行了时域有限差分法(FDTD)数值模拟和对实验样品的反射光谱进行了测量。同正方形晶格圆孔阵列相比较,理论模拟和实验测量结果均发现由正三角形晶格圆孔阵列组成的MDPhC,当r/a_0=0.25时,能够获得较强的光透射增强效果和较窄的透射峰。理论模拟结果拟合出来的反射率最小值的位置(λ_(min))与a_0的关系式(λ_(min)=1+0.82a_0)和实验结果拟合的关系式(λ_(min)=0.2+0.94a_0)基本属于一致的线性关系。这种线性关系与由SPP耦合作用机理推出的方程式(λ_(min)≈3~(1/2)a_0/2=0.87a_0)相符合,证实了该机理解释MDPhC的EOT特性是可行的。 2.研究了由最外层金属膜厚度小于其趋肤深度而内层金属膜厚度远大于其趋肤深度的双层金属膜组成的M/MDPhC结构,发现该结构中的双层金属之间存在SPP相互耦合作用。探讨了最外层金属厚度(t_m)对M/MDPhC的EOT特性的影响。采用MEMS技术,设计和制作了由银/金双层金属膜TDMSHA和硅—空气光子晶体组合而成的M/MDPhC结构。对该结构进行了FDTD数值模拟和对实验样品的透射光谱进行了测量。比较了M/MDPhC和MDPhC的EOT特性,发现M/MDPhC比MDPhC在金属/空气界面中SPP(1,1)次态模式的透射效率[T(λ_(max))]大,且其大小与t_m无关;而M/MDPhC在金属/空气界面中SPP(1,0)基态模式的T(λ_(max))与t_m有关;这说明银/金双层组合膜之间存在SPP相互耦合作用且主要发生在金属/空气界面中。实验结果发现:由不同的银膜厚度(t_m=1.5,3.8,23nm)组成的正三角形晶格和正方形晶格两种圆孔阵列的M/MDPhC在金属/空气界面中SPP(1,0)基态模式的EOT现象都与t_m存在相似的关系。①随着t_m的增加,透射峰的位置(λ_(max))有规律地向短波长方向偏移;②当t_m=3.8nm时,M/MDPhC的T(λ_(max))较大。 3.研究了由金属/电介质/金属三层组合膜组成的M/D/MDPhC结构,探讨了电介质的折射率对M/D/MDPhC在金属/空气界面中SPP(1,0)基态模式的EOT特性的影响,同时也讨论了不同电介质膜的厚度(t_d=0.2,0.4,0.6μm)的影响。采用MEMS技术,设计和制作了由金/SiO_xN_y/金三层膜组合的TDMSHA和硅—空气光子晶体构成的M/D/MDPhC结构。对实验样品的透射光谱进行了测量。比较了M/D/MDPhC和MDPhC的EOT特性,发现M/D/MDPhC的透射峰更窄了,这说明金/SiO_xN_y/金三层组合膜之间存在SPP相互耦合作用。实验结果发现:①采用折射率小(1.6)的SiO_(2.1)N_(0.3)比折射率大(1.8)的SiO_(0.6)N_1组成的M/D/MDPhC的λ_(max)小,这证实了SPP相互耦合作用机理的正确性;②采用低折射率的SiO_(2.1)N_(0.3)组成的M/D/MDPhC的T(λ_(max))较大且透射峰较窄;③采用薄的SiO_xN_y膜(0.2微米)组成的M/D/MDPhC能够获得较大的T(λ_(max))和较窄的透射峰;随着SiO_xN_y膜的厚度增加,M/D/MDPhC在金属/空气界面中SPP(1,0)基态模式逐渐退化,其透射峰也逐渐展宽。


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