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基于物理吸收和薄膜厚度的贵金属介电参数Lorentz-Drude模型优化分析研究

李建明  
【摘要】:表面等离子体激元是当今热门的研究课题,其中要使用到的纳米级贵金属薄膜有着十分广泛的应用。贵金属材料的介电参数是影响微纳米器件性能的关键因素,可以唯一地确定和表达材料的光学性质。物理实验研究发现,贵金属的复介电参数会随工作波长变化呈现出较大浮动,这对表面等离子体波传播长度等物理量的计算产生重要影响。在应用领域,人们对Drude模型和Lorentz_Drude模型计算出的超薄金属薄膜在红外、可见光及紫外区域的介电参数的可靠性提出质疑。因此获得精确的贵金属介电参数表达迫切而必要。 本文基于Drude模型,利用最小平方误差法分析了三种贵金属金、银、铜在200nm-2000nm工作波段的实验数据,优化得到两个重要参数——等离子体频率和自由电子的弛豫时间;适用优化后的等离子体频率求出电子的有效质量,与其他理论计算出的电子有效质量作对比,印证了该结果的正确性。接着,鉴于Drude模型忽略了束缚电子带间跃迁等物理效应对介电参数的影响,使贵金属的介电常数在200nm-700nm的紫外及可见光波段与实验数据存在较大误差,本文深入分析了金属薄膜在200nm-700nm的光波入射时会产生的物理效应,如核外束缚电子的带间跃迁等,归纳总结出可能存在的吸收及损耗,据此调整了L_D模型的谐振项、阻尼系数及权因子,使L_D模型曲线在200nm-2000nm的波段内与三种贵金属的实验数据均完美吻合,并为后续研究提供精确的介电常数值数据。 最后,鉴于贵金属薄膜厚度接近几十纳米时出现体积效应、表面效应、量子尺寸效应等,使得纳米级金属薄膜具有新的可利用特性,故此研究了金属薄膜厚度变化对其介电常数的影响。本文基于修正后的F-S模型和M-S模型,利用薄膜厚度与金属电导率间的关系,以自由电子的弛豫时间为纽带,推导出了薄膜厚度与金属介电常数间的计算关系,为各种厚度下贵金属薄膜的使用提供了有力的计算参数支持。


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