專利名稱：表面等離子體納米環(huán)濾光器的制作方法
表面等離子體納米環(huán)濾光器技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于一種光功能器件，特別是一種濾光器，具體是一種具有納米環(huán)結(jié)構(gòu)的濾光器。
背景技術(shù)：
自1998年法國科學(xué)家Ebbesen等人首次發(fā)現(xiàn)光在金屬亞波長結(jié)構(gòu)中的異常傳輸現(xiàn)象(extraordinary optical transmission, EOT) [I]以來，有關(guān)表面等離子體的相關(guān)研究已經(jīng)取得了廣泛的關(guān)注和長足的發(fā)展。運(yùn)用表面等離子體原理所制備的器件具有分辨率高、易調(diào)制、性能卓越等優(yōu)點(diǎn)，并且已經(jīng)在光電、新能源(太陽能電池)、數(shù)據(jù)存儲、顯微成像等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。其中，尤其以濾光器件的發(fā)展最為迅速，應(yīng)用前景也最為廣闊。 英國科學(xué)家Pendry分別于2000年和2006年提出了具有負(fù)折射率的超級透鏡[2]以及通過坐標(biāo)變換方法[3]得到隱身?xiàng)l件的概念，使得科學(xué)界重新認(rèn)識和審視超常介質(zhì)的異常電磁特性和隱身效應(yīng)及其相關(guān)應(yīng)用。隨后，Ebbesen課題組于2008年再次提出運(yùn)用周期結(jié)構(gòu)的線性凹槽光柵對寬帶(broadband)白光源進(jìn)行濾光[4]的方法,為濾光器件的發(fā)展開啟了新的紀(jì)元。Ebbesen等人設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖1(a)中所示,用一束白光源照射到一個(gè)位于300納米厚的銀膜中寬度為170納米的縫隙的下表面，在上表面一端此縫隙的兩側(cè)分別刻蝕出深度不同的凹槽。納米縫隙兩側(cè)的凹槽可以起到天線的作用，收集透射過納米縫隙的光信號， 而且透射過來的信號波峰的位置與天線凹槽的周期大小緊密相關(guān)。因此，通過使用不同周期的天線凹槽，可以精確控制透射過納米縫的光波長，進(jìn)而達(dá)到分光的效果。隨后，在2010 年，L. Jay Guo課題組提出運(yùn)用一維金屬_絕緣體-金屬(metal-insulator-metal,MIM)層堆結(jié)構(gòu)[5]對寬帶的白光源進(jìn)行分光，如圖1(b)中所示。一維的周期光柵結(jié)構(gòu)對于白光源也具有波長選擇性，并且波峰的位置可以通過調(diào)制光柵的周期進(jìn)行精密的控制。緊接著，同一課題組的科研人員又把類似的濾光器結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌入有機(jī)太陽能電池[6]中，并且收到了非常好的能量捕獲效果。隨后，光子晶體濾光器[7]、硅納米線濾光器[8]和“十字形”濾光器[9]先后被報(bào)道，使得類似的器件得到了充分的研究并引起了科學(xué)界的廣泛重視。但是，不論是一維的凹槽天線/層堆線性光柵結(jié)構(gòu)還是“十字形”結(jié)構(gòu)，都對入射光源的偏振方向具有很強(qiáng)的選擇要求。因?yàn)橐痪S的凹槽和層堆光柵本身都是非對稱的結(jié)構(gòu)，所以只有當(dāng)入射光磁場方向平行于凹槽或光柵(橫磁波,transverse-magnetic wave)才具有分光效果。而在現(xiàn)實(shí)生活中，大部分光源都是非偏振的自然光(如太陽光)。因此，線性結(jié)構(gòu)的偏振選擇性大大限制了此類濾光器件的適用范圍。此外，由于偏振敏感性會(huì)造成一部分光能量無法透過濾光器而是被反射或吸收，使得類似濾光器的透射效率很低，降低了儀器的使用性能。發(fā)明內(nèi)容
為解決線性光柵/凹槽類濾光器所存在的偏振敏感性問題，本發(fā)明提出一種表面等離子體納米環(huán)濾光器，該表面等離子體納米環(huán)濾光器運(yùn)用高度對稱的圓環(huán)結(jié)構(gòu)解決了天線凹槽和一維層堆光柵型濾光器都普遍存在的偏振敏感性問題，使得類似濾光器件的應(yīng)用范圍更廣，更能適應(yīng)非偏振的自然光。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的表面等離子體納米環(huán)濾光器，其特征是在于設(shè)有基層材料，在基層材料上粘貼有貴金屬膜，所述貴金屬膜上設(shè)有用聚焦離子束刻蝕方法加工的圓環(huán)矩陣，所述圓環(huán)矩陣中的每個(gè)圓環(huán)的內(nèi)徑和外徑可根據(jù)不同的單色光預(yù)先設(shè)定。
進(jìn)一步的所述基層材料采用石英、玻璃中的一種。
進(jìn)一步的所述貴金屬膜采用金屬金、銀、鉬中的一種制成。
本發(fā)明提出了納米圓環(huán)[10，11]結(jié)構(gòu)，如圖2所示。由于圓環(huán)結(jié)構(gòu)在平面內(nèi)高度對稱，故這種結(jié)構(gòu)對于非偏振光(如自然光)依然適用。納米環(huán)結(jié)構(gòu)還具備另一個(gè)非常突出的優(yōu)點(diǎn)，那就是單個(gè)元素也具備分光功能。也就是說，當(dāng)我們只使用一個(gè)圓環(huán)時(shí)，通過控制孔徑的大小，就可以將一束白光分成單色光。因?yàn)橥ㄟ^對圓環(huán)孔徑大小(圓環(huán)的內(nèi)、外徑之差)的控制來調(diào)制傳輸型表面等離子共振峰的位置，而非圓環(huán)陣列的周期。之所以做成陣列結(jié)構(gòu)，是為了增強(qiáng)透射效果(單個(gè)圓環(huán)由于透射區(qū)域過小可能會(huì)導(dǎo)致相對較低的透射能最)。本發(fā)明的主要?jiǎng)?chuàng)新之處在于通過運(yùn)用高度對稱的圓環(huán)結(jié)構(gòu)解決了天線凹槽和一維層堆光柵型濾光器都普遍存在的偏振敏感性問題，使得類似濾光器件的應(yīng)用范圍更廣，更能適應(yīng)非偏振的自然光。比如，當(dāng)納米環(huán)濾光器被嵌入到表面等離子體型太陽能電池中時(shí)， 圓環(huán)結(jié)構(gòu)對入射光的偏振狀態(tài)的不敏感性可以使得更多的能量在光電轉(zhuǎn)換過程中被捕獲， 進(jìn)而大幅度提高太陽能電池的光電傳換效率。此外，納米環(huán)的分光機(jī)理不同于周期結(jié)構(gòu)的凹槽和一維光柵，單個(gè)圓環(huán)元素就可以具備濾光效果，因此這種濾光器可以實(shí)現(xiàn)超小像素 (< I微米)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在同等形狀和大小的顯示屏內(nèi)達(dá)到分辨率最大化的目標(biāo)。本發(fā)明的另一主要優(yōu)點(diǎn)是解決了偏振選擇性問題使得透射的光能量增加從而使得濾光器透射效率大幅提升。此外，納米環(huán)結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的液晶顯示技術(shù)具有良好的兼容性，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可調(diào)的調(diào)制類濾光器。


圖I. (a)由Ebbesen等人提出的凹槽天線光子選擇器的工作原理。
(b)由Guo等人提出的一維層堆結(jié)構(gòu)濾光器的工作原理。
圖2.是本發(fā)明所提出的納米環(huán)表面等離子體濾光器的工作原理。
圖3. (a)透射型納米環(huán)濾光器示意圖。
(b)圓環(huán)陣列中單個(gè)圓環(huán)的掃描電子顯微鏡圖。
圖4納米環(huán)濾光器的工作原理。
圖5. (a)具有不同孔徑大小的納米環(huán)濾光器將一束白光濾成單色光。(b)有限時(shí)域差分法模擬仿真得到的圓環(huán)表面(上排)和內(nèi)部(下排)電場強(qiáng)度分布圖。
圖6. (a)納米環(huán)陣列的原子力顯微圖。
(b)納米環(huán)陣列的掃描電子顯微鏡斜視圖(斜視角度35° )。
圖7.納米環(huán)組成“NEU”字樣在白光照射下呈現(xiàn)出不同顏色的輸出。
圖8.圓環(huán)陣列將一束寬帶白光源過濾成單色光。
圖9是單個(gè)圓環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)為俯視圖，(b)為截面圖。
圖10.圓環(huán)陣列整體示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明
實(shí)施例參見附圖2，表面等離子體納米環(huán)濾光器，設(shè)有基層材料，在基層材料上粘貼有貴金屬膜，所述貴金屬膜上設(shè)有用聚焦離子束刻蝕方法加工的圓環(huán)矩陣，所述圓環(huán)矩陣中的每個(gè)圓環(huán)的內(nèi)徑和外徑可根據(jù)不同的單色光預(yù)先設(shè)定；所述基層材料采用石英； 所述貴金屬膜采用金屬金制成。
本發(fā)明以納米環(huán)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，采取有限時(shí)域差分法進(jìn)行理論上的模擬和計(jì)算，為實(shí)驗(yàn)上的制備和測試指明方向，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的參數(shù)設(shè)計(jì)。隨后，通過實(shí)驗(yàn)制備實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的濾光器件并對制成的器件進(jìn)行性能測試和分析。研究過程完整、充分，所采取的制備方法先進(jìn)、易實(shí)現(xiàn)、成本低，測試方法完善，能夠?qū)ζ骷瓿扇娴姆治龊驮u估。如圖3(a)所示，圓環(huán)形濾光器工作在透射狀態(tài)下，當(dāng)一束白光源從襯底方向入射到器件表面時(shí)，在器件的另一側(cè)實(shí)現(xiàn)分光，同時(shí)也可對透射的信號進(jìn)行采集與分析。圖3(b)所示為所制備的圓環(huán)形濾光器的掃描電子顯微鏡圖。由于圓環(huán)陣列中的每一個(gè)單獨(dú)元素都具備分光的功能，因此這種濾光器可以實(shí)現(xiàn)超小的像素。圖3(b)中的圓環(huán)外徑為450納米，內(nèi)徑為400納米，可在I 微米以下的尺寸范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)分光(蘋果公司的產(chǎn)品iphone4的像素為78微米)。圖4展示了本濾光器的工作原理通過使用固定圓環(huán)陣列的周期面只改變圓環(huán)孔徑大小的辦法來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)傳輸型共振并達(dá)到濾波的效果；同時(shí)，通過控制圓環(huán)陣列的周期使其足夠大，從面使得平面型共振峰位于近紅外波段，以避免對處于可見光波段的傳輸型共振模式形成干擾， 最終制備出濾光器.實(shí)驗(yàn)中，使用周期固定為1200納米而孔徑大小從10納米到160納米變化的同軸圓環(huán)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)把一束寬帶(broadband)的白光源分成不同顏色的單色光。圖 4顯示納米環(huán)在共振發(fā)生時(shí)(760nm)相較于共振沒有發(fā)生時(shí)^40nm)表面處電場分布可以有顯著的增強(qiáng)。
該方法可以有效解決天線凹槽和一維層堆光柵型濾光器都普遍存在的偏振敏感性問題，使得類似濾光器件的應(yīng)用范圍更廣，更能適應(yīng)非偏振的自然光.此外，通過有限時(shí)域差分法計(jì)算得到的理論結(jié)果并和實(shí)驗(yàn)結(jié)果匹配得非常好，使得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得到充分的理論支持和數(shù)學(xué)解釋。當(dāng)使用內(nèi)徑固定不不變、而只改變外徑大小從而調(diào)節(jié)圓環(huán)孔徑的不同陣列時(shí)，可將一束寬帶的白光源過濾成單色光，正如圖5(a)中所展示。此外，通過有限時(shí)域差分的計(jì)算方法，可以模擬仿真得到在共振發(fā)生和末發(fā)生的情況下圓環(huán)表面及其內(nèi)部空間的場強(qiáng)分布圖。從圖5(b)中可以看出，當(dāng)共振發(fā)生時(shí)(左列)場強(qiáng)最大值比共振未發(fā)生時(shí) (右列)可有效增大約50倍。另外，不論從俯視圖(上排)還是截面圖(下排)都可以看出，光的能量可以被很好的限制在圓環(huán)區(qū)域內(nèi)，也就是說制備的濾光器的損耗很小，相對較高的透射效率。
本發(fā)明中的納米環(huán)結(jié)構(gòu)采用聚焦離子束刻蝕方法制備。相較于其他制備方法，聚焦離子束刻蝕法具有不可替代的優(yōu)勢。比如，相比電子與固體相互作用，離子在固體中的散射效應(yīng)較小，并能以較快的直寫速度進(jìn)行小于50納米的刻飾，故而聚焦離子束刻蝕是納米加工的一種理想方法。此外，聚焦離子束技術(shù)的另一優(yōu)點(diǎn)是在計(jì)算機(jī)控制下的無掩膜注入， 甚至無顯影刻蝕，直接制造各種納米器件結(jié)構(gòu)。在使用聚焦離子束刻蝕法時(shí)，還可通過轉(zhuǎn)動(dòng)樣品臺使其偏過一定角度的方法對器件的側(cè)壁進(jìn)行檢驗(yàn)。如圖6(b)所示，掃描電子顯微鏡斜視圖顯示所制備的納米環(huán)結(jié)構(gòu)具備比較均一的側(cè)壁和相對較為平滑的器件表面，與圖 6(a)中所示的原子力顯微圖所展示的納米環(huán)表面相一致。更為重要的是，離子束刻蝕法具有極大的自由度，可以制備幾乎各種形狀和類型的納米器件。如圖7中所展示，我們可以用納米環(huán)組成“NEU”字樣(東北大學(xué)英文名稱Northeastern University的縮寫)。除此之外，離子束刻蝕技術(shù)還可以用來制備諸如納米柱、納米梢、納米臂等多種器件，使得生產(chǎn)更多在納米量級的光學(xué)和電子器件成為可能。
本發(fā)明旨在研究納米環(huán)濾光器的分光效果并最大幅度提高濾光器的性能和透射效率。主要解決目前其他類型已存在的濾光器件的偏振敏感性問題和使得透射達(dá)到最大化的目標(biāo)。由本技術(shù)所研發(fā)的濾光器件可以廣泛應(yīng)用于成像、顯示和濾波領(lǐng)域，又因?yàn)楸酒骷哂械牧己眉嫒菪院透叻直媛实染薮髢?yōu)勢，相信這類器件會(huì)有非常廣闊的發(fā)展空間和巨大的發(fā)展?jié)摿Γπ乱淮@示成像技術(shù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略影響。此外，由于類似器件的制造采用貴重金屬為原材料，因此所有結(jié)構(gòu)都非常穩(wěn)定，有著超長的使用壽命。通常，只要沒有人為的破壞，此類濾光器都會(huì)一直正常工作，尤其是當(dāng)采用金(Au)這種非常穩(wěn)定且不易被氧化的材料時(shí)。更進(jìn)一步的，這種濾光器件工作在可見光波段，只需通過改變器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)(如孔徑大小、周期、形狀等等)就可以將其工作頻率移至近紅外波段，從而制備成近紅外光譜分析儀。這樣的近紅外光譜分析儀還具備性能良好穩(wěn)定且能準(zhǔn)確再現(xiàn)各種所保存的數(shù)據(jù)等諸多優(yōu)點(diǎn)。由于用于成像和顯示的器件應(yīng)用廣泛，因此存在著巨大的經(jīng)濟(jì)效益。更因?yàn)轭愃破骷c現(xiàn)有液晶顯示屏的工作原理相兼容，可以使得本濾光器在顯示器領(lǐng)域大有作為。以蘋果公司的最新產(chǎn)品iphone4為例，其所采用的視網(wǎng)膜成像技術(shù)(retina)相較于其早期產(chǎn)品所采用的傳統(tǒng)顯示技術(shù)有很大的突破，整個(gè)屏幕具備超高的像素密度(PPi)，將 960X640的分辨率壓縮到一個(gè)3. 5英寸的顯示屏內(nèi)。而對于本項(xiàng)目中的納米環(huán)結(jié)構(gòu)而言， 最小像素可達(dá)到小于I微米，那么對于相同大小的屏幕而言，像素密度可以進(jìn)一步顯著增高，從而實(shí)現(xiàn)在同等形狀和大小的顯示屏內(nèi)達(dá)到分辨率最大化的目標(biāo)。因此，我們有理由相信類似的納米環(huán)濾光器具有非常大的潛力。
權(quán)利要求
1.ー種表面等離子體納米環(huán)濾光器，其特征是在于設(shè)有基層材料，在基層材料上粘貼有貴金屬膜，所述貴金屬膜上設(shè)有用聚焦離子束刻蝕方法加工的圓環(huán)矩陣，所述圓環(huán)矩陣中的每個(gè)圓環(huán)的內(nèi)徑和外徑可根據(jù)不同的単色光預(yù)先設(shè)定。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的表面等離子體納米環(huán)濾光器，其特征是在于所述基層材料采用石英、玻璃中的ー種。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的表面等離子體納米環(huán)濾光器，其特征是在于所述貴金屬膜采用金屬金、銀、鉬中的ー種制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種表面等離子體納米環(huán)濾光器，設(shè)有基層材料，在基層材料上粘貼有貴金屬膜，所述貴金屬膜上設(shè)有用聚焦離子束刻蝕方法加工的圓環(huán)矩陣，所述圓環(huán)矩陣中的每個(gè)圓環(huán)的內(nèi)徑和外徑可根據(jù)不同的單色光預(yù)先設(shè)定，所述基層材料采用石英、玻璃中的一種，進(jìn)一步的所述貴金屬膜采用金屬金、銀、鉑中的一種制成。該表面等離子體納米環(huán)濾光器運(yùn)用高度對稱的圓環(huán)結(jié)構(gòu)解決了天線凹槽和一維層堆光柵型濾光器部普遍存在的偏振敏感性問題，使得類似濾光器件的應(yīng)用范圍更廣，更能適應(yīng)非偏振的自然光。
文檔編號G02B5/20GK102981199SQ20121045259
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月13日
發(fā)明者司光遠(yuǎn), 姜瀟瀟, 谷瓊嬋, 呂江濤, 馬振鶴, 王鳳文 申請人:東北大學(xué)秦皇島分校