（光学工程专业论文）金属介质薄膜结构的研究与制备.pdf

摘要 摘要 金属薄膜是光学薄膜重要的组成部分，具有反射高、截止宽、偏振小、导电性、成 本低( 层数少) 以及能激发表面等离子体激元( s p p s ) 等特点，因而在宽域反射器、太阳能 收集器、宽带消偏振器、传感器和隔离电磁波等方面都有重要应用。本文主要涉及基于 金属薄膜制备技术的各种新型器件的研究，包括数值模拟计算方法和金属介质薄膜结构 特殊光子效应的理论研究以及金属介质薄膜器件的制备和特性测试。对可见光区域金属 介质薄膜全角度透射滤光片，一维金属介质周期薄膜中的负折射、偏振分束和完全带隙 效应以及金属薄膜近场成像进行了研究。研究结果主要包括： 1 提出了金属介质法布里珀罗( f p ) 滤光片在t m 偏振下选择合适的参数可以实现全 角度窄带透射滤光。这个全角度透射带是由于在任意入射角度下，光线在两个金属 层间隔层界面上的反射相移和在间隔层中的传输相移的总和刚好接近27 1 。采用 a i r a g z n s a g g l a s s 结构，在实验上证实了全角度窄带透射滤光；另外在结构中引 入减反膜来增加滤光片的透射率。根据高折射率介质材料和金属的低角度效应，设 计了一种新型窄带滤光片，入射角度变化时中心波长移动较少，却保持了较好的滤 光特性。通过计算和实验，证明该滤光片能在较大入射角和光锥角入射的自然光下 实现比传统介质f p 窄带滤光片更好的性能。研究了金属介质周期薄膜结构的投影能 带图，发现能在t m 偏振下实现全角度宽带透射滤光。利用电磁波理论中的边界条 件分析了其物理机理，并实验制备了a g z n s 膜堆，验证了其全角度滤光特性。使用 合适的参数，该滤光片可以在不同的波段实现全角度滤波。 2 介绍了一维金属介质周期结构中的负折射效应，并且利用数值方法实现了近似为1 的等效折射率。在考虑实际材料参数的情况下，分析了该结构的复b l o c h 波矢，表 明材料吸收不只降低了结构的透射率，也改变了光在结构中的折射角；提出了另一 种材料组合的结构，对吸收的影响不敏感但仍然具有接近i 的等效折射率。根据t m 偏振光和t e 偏振光在一维金属介质周期结构中的不同折射现象，设计了偏振分束 器。利用高斯光束频谱展开法模拟了该结构的分光特性，表明可以在宽波段宽角度 实现双透射式偏振分光。 3 一维介质材料构成的结构只能实现部分带隙，而我们发现一维金属介质周期结构能 在t m 偏振下实现完全带隙，限制结构中的光向任意方向传播，这个完全带隙是周 i 浙江大学博士学位论文 期方向上b r a g g 散射和界面方向上的金属介质金属波导截止效应共同作用的结果； 通过数学证明讨论了实现完全带隙的一个充分条件；并且利用传输矩阵法以及时域 有限差分法模拟证实了该完全带隙能在实际金属介质材料中实现。 4 根据表面等离子体色散关系以及基于等离子体物理模型的时域有限差分方法模拟了 单层金属薄膜结构的近场成像特性。利用单层金属银薄膜对周期为1 p , m 光栅进行了 曝光成像实验。分析了一维金属介质周期结构中的自准直效应，并且利用实际材料 模拟了该结构中的近场亚波长成像。 关键词：金属介质结构，表面等离子体激元，光子晶体，光子禁带，时域有限差分，传 输矩阵，全角度透射滤光，法布里一珀罗滤光片，偏振分光镜，负折射，亚波 长成像 i v a b s t r a c t a b s t r a c t m e t a lt h i nf i l mi sav e r yi m p o r t a n tp a r to fo p t i c a lt h i nf i l m s i tp o s s e s s e st h ep r o p e r t i e s o fh i g hr e f l e c t i v i t y , l o wp o l a r i z e de f f e c t ，g o o de l e c t r i cc o n d u c t i v i t y ，a n dc a l le x i t es u r f a c e p l a s m o nw a v e i th a saw i d ea p p l i c a t i o ni nb r o a d b a n dr e f l e c t o r s ，b e a ms p l i t t e r s ，a b s o r b e r s ， s e n s o r sa n db l o c k i n ge l e c t r o m a g n e t i cw a v ed e v i c e s i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ew o r ki sf o c u s e d o nt h en o v e ld e v i c e sb a s e do nt h em e t a lt h i nf i l mw h i c hi sf a b r i c a t e db yc o a t i n gt e c h n o l o g y , i n c l u d i n gt h en u m e r i c a lc o m p u t a t i o n a lm e t h o d sa n d t h ef a b r i c a t i o no ft h em e t a l - d i e l e c t r i ct h i n f i l md e v i c e s ，s u c ha s ，o n e - d i m e n s i o n a l ( 1d ) o m n i d i r e c t i o n a lp a s s b a n df i l t e r , n e g a t i v e r e f i a c t i o na n dc o m p l e t eb a n dg a pi n1dm e t a l - d i e l e c t r i cp e r i o d i cs t r u c t u r e ，a n dt h e s u b w a v e l e n g t hi m a g i n gw i t hap l a n a rm e t a l l i cl e n s t h em a i nc o n t e n t si n t h i sp a p e ra r ea s f o l l o w s ： 1 d e s i g n an o v e lm e t a l - d i e l e c t r i c f a b r y - p e r o t ( f p ) f i l t e r t h a tc a ne x h i b i ta n o m n i d i r e c t i o n a lt r a n s m i s s i o nf o rt m - p o l a r i z e dl i g h t t h eo m n i d i r e c t i o n a lp a s sb a n d o c c u r sw h e nt h es u mo ft h er e f l e c t i o np h a s es h i f ta tt h em e t a l - s p a c e ri n t e r f a c ea n dt h e p r o p a g a t i o ns h i f t i nt h es p a c e r r e g i o ni sa l m o s t2 7 r f o re v e r yi n c i d e n c ea n g l e w e n u m e r i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t es u c ha no n m i d i r e c t i o n a ln a r r o wb a n d p a s s f d t e ri na na i r a g z n s a g g l a s ss t r u c t u r e m o r e o v e r , w ei n t r o d u c ea na n t i - r e f l e c t i o n c o a t i n gi nb o t hs i d e so ft h em e t a l d i e l e c t r i cf - ps t r u c t u r et oi n c r e a s et h et r a n s m i t t a n c e a c c o r d i n gt ot h el o wa n g l ee f f e c to fh i g hi n d e xd i e l e c t r i cl a y e ra n dm e t a l l i cl a y e r ，af i l t e r w h i c ha l m o s tm a i n t a i n sf i l t e rc h a r a c t e r i s t i c sw h e nu s e di nt h ec a s eo fo b l i q u ei n c i d e n c eo r l a r g ec o n ea n g l ei n c i d e n c ei sp r o p o s e d a n dw ep r o v et h el o wa n g l ed e p e n d e n c ee f f e c to f t h en o v e lf i l t e rb yt h e o r ya n de x p e r i m e n t s t u d yo nt h ep r o j e c t e db a n dd i a g r a mo fa1d m e t a l - d i e l e c t r i cp e r i o d i cs t r u c t u r e ，f m di tc a np o s s e s sa no m n i d i r e c t i o n a lb a n df o ra t m p o l a r i z e dl i g h t ，o w i n gt ot h ec o m p e n s a t i o ne f f e c to fp o w e rf l o wi nt h ep a r a l l e l d i r e c t i o ni nt h em e t a l a ne x p e r i m e n th a sb e e nd o n et ov e r i f yt h ed e s i g nb yu s i n ga n a g z n ss t a c k s u c ha no m n i d i r e c t i o n a lp a s sb a n dc a nb er e a l i z e di nd i f f e r e n tw a v e l e n g t h r e g i o nw i t hp r o p e rd e s i g n 2 n e a r - le f f e c t i v ei n d e xi sa c h i e v e du s i n g1dm e t a l - d i e l e c t r i cp e r i o d i cs t r u c t u r ew i t ha p r o p e rc h o i c eo fp a r a m e t e r s c o n s i d e r i n gr e a l i s t i cm a t e r i a lp a r a m e t e r s ，w ep r e s e n tas t u d y o ft h ec o m p l e xb a n ds t r u c t u r ea n ds h o wt h a tt h ea b s o r p t i o nl o s s e si nm e t a l l i cl a y e r sn o t o n l yd e c r e a s et h et r a n s m i t t a n c e ，b u ta l s oc h a n g et h en e g a t i v er e t r a c t i o na n g l ei nt h e m e t a m a t e r i a l ( a n dt h u si t se f f e c t i v eo p t i c a li n d e x ) t h e n , a n o t h e r1dm e t a l - d i e l e c t r i c v 浙江大学博士学位论文 p e r i o d i cs t r u c t u r ew h i c hi sl e s ss e n s i t i v et ot h el o s s e si sp r o p o s e d t h en e g a t i v er e f r a c t i o n o ft mm o d ea n dp o s i t i v er e f r a c t i o no ft em o d em a k et h e1d m ds t r u c t u r et oh ean o v e l p o l a r i z a t i o nb e a ms p l i t t e r t h et r a n s f e rm a t r i xm e t h o d ( t m m ) i s u s e dt os i m u l a t ea st h e g a u s s i a nb e a mi n c i d e n ti nt h ef i n i t eo n e d i m e n s i o n a lm e t a l - d i e l e c t r i cs t r u c t u r ef o rb o t h p o l a r i z a t i o n s t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n ti n c i d e n ta n g l e sa n dt h ed i s s i p a t i o no ft h em e t a l l a y e ro nt h eb e a ms p l i t t e ri sd i s c u s s e d 3 i ti sw i d e l yb e l i e v e dt h a ta1d p e r i o d i cl a y e r e ds t r u c t u r ew i t ho r d h l a r ym a t e r i a l sc a no n l y h a v eab a n dg a pf o rc e r t a i np r o p a g a t i o nd i r e c t i o n s h o w e v e r , w er e v e a lt h a ta1d m e t a l - d i e l e c t r i cp e r i o d i cs t r u c t u r ec a nt r a pt r a n s v e r s em a g n e t i cw a v e sf o ra n ya n g l eo f p r o p a g a t i o ni nap l a n e ，o w i n gt ot h ee x i s t e n c eo fat w o - d i m e n s i o n a l ( 2 d ) c o m p l e t eb a n d g a p t h ec o m p l e t eg a pc o m e sf r o mb r a g gs c a t t e r i n gt o g e t h e rw i t ht h ec u t - o f f e f f e c to ft h e m e t a l d i e l e c t r i c m e t a lw a v e g u i d e ac r i t e r i af o rt h eg e o m e t r i ca n dm a t e r i a lp a r a m e t e r st o r e a l i z ea2 dc o m p l e t eg a pi si n t r o d u c e da n dt h ec o m p l e t eb a n d - g a pe f f e c tw i t hr e a l s t r u c t u r e si si l l u s t r a t e du s i n gf i n i t ed i f f e r e n c et i m ed o m a i n ( f d t d ) m e t h o d 4 r e s e a r c ho nt h en e a r - f i e l ds u b w a v e l e n g t hi m a g i n gw i t hap l a n a rs i l v e rl e n s t h em e t a l l i c t h i nf i l ms t r u c t u r ei sm o d e l e db yad r u d em o d e li nf d t dm e t h o d i np r a c t i c eac rg r a t i n g m a s kw i t hlp mp e r i o di si m a g e do n t oap h o t o s e n s i t i v em a t e r i a lt h r o u g has i l v e rt h i nf i l m s t r u c t u r eb y u t i l i z i n go p t i c a l n e a r - f i e l d l i t h o g r a p h yt e c h n i q u e s a n a l y z e t h e s e l f - c o l l i m a t i o np h e n o m e n ai n1dm e t a l d i e l e c t r i cp e r i o d i cs t r u c t u r ef r o mt h ee q u a l f r e q u e n c ys u r f a c e ，a n df i n dt h a tas i l v e r h f 0 2s t a c kw i t hs u i t a b l ep a r a m e t e r sc a nh a v ea l 5r e s o l u t i o na tav i s i b l ew a v e l e n g t h k e yw o r d s ：m e t a l - d i e l e c t r i c ，p h o t o n i cc r y s t a l s ，p h o t o n i cb a n dg a p ，f i n i t ed i f f e r e n c et i m e d o m a i n , t r a n s f e rm a t r i xm e t h o d ， o m n i d i r e c t i o n a lt r a n s m i s s i o nf i l t e r , f a b r y p e r o t ，p o l a r i z a t i o nb e a ms p l i t t e r ，n e g a t i v er e f r a c t i o n , s u b w a v e l e n g t h i m a g i n g v i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所坚交的学位沦文是本人在导师指导f 避行能研究工作及取得的研究成采， 滁7 文中转掰加以酥注和致游的地方外论文中不包含冀他人已经麓袭或攫写过的研究成 粜，也可i 包含为菝褥迸鎏表茎或其他教育机构的学位或证寺5 丽绽嗣过的材料。与我， 弱工作魏蒯忐对本研究所傲的任何贡献均基在论文中作了明确的说明棼表示澍懑。 擘缎沦文俸者签名： 签字r 期：矽年彳月f q f i 学位论文版权使用授权书 本学技论文作者究全了解逝鎏叁鲎 有权供留井彝绷袈育美邾f 】或机构送交本 论文的复印件和磁懿。允许论文坡查阈和借阅。本人投权澎姿叁茔。刚。以将学位论文的 全邦或熬分内容编入有关数据库进行捡索和传播，可以采用影窜、缩印或捆描蕊复制等段 僳存、汇缀掌彼论文 ( 僳鬻的学位论文在解密螽适嗣本授权书 擘位论文作者筝名： 导师签名： 辨嗍。1 州q 幻r 替嗍，孔i 致谢 致谢 衷心地感谢我的两位导师刘旭教授和顾培夫教授，在我五年的学习生活和研究工作 期间给我无微不至的关心和悉心的指导。两位导师治学严谨，学识渊博，思想深邃，视 野开阔，给我留下了深刻的印象。特别是他们在平时的实验研究中和生活上给予我热情 的鼓励和真诚的关怀，使我明白了很多待人接物与为人处事的道理。毕业之际，在此向 两位导师表示诚挚的谢意 感谢李明字老师、沈伟东老师、章岳光老师、厉以宇、严晖、王颖、孙雪铮和杨立 功等薄膜所的各位同仁给予我研究工作上的帮助与合作，共同营造了一个很好的学术氛 围，和他们共同渡过了快乐的时光。感谢法国f r e s n e l 实验室曾经帮助过我的老师和 同学，特别感谢同济大学的江海涛老师，和他在专业上的讨论对我有很大帮助，在学术 上受益非浅。感谢章海军教授和张冬仙老师在实验测量方面给予的帮助。感谢苏州大学 信息学院光学工程研究所的吴建宏老师为我们的实验制作光栅基板。在浙江大学光电系 九年的学习生活是我一生中最难以忘怀的经历，感谢光电系的各位老师们对我的培养。 最后感谢我的家人在学业上对我的支持，让我能够安心完成自己的学业，感谢陪我 走过最后校园时光的小婷。 张锦龙 2 0 0 9 4 1 3 1 绪论 1 绪论 1 1 金属薄膜概论 自从1 8 1 7 年f r a u n h o f e r 在德国用浓硫酸或硝酸侵蚀玻璃，偶得第一块减反膜以来， 光学薄膜己经有了两百多年历史的发展历程。从最初单一的减反膜发展成为具有多分 支、多层次的综合学科，已形成涵盖理论、计算、设计、测量和工艺的完整体系，应用 范围也拓展到了日常生活，工业、农业、建筑，交通运输、医学、天文学，军事以及宇 航等领域【l 】。 金属薄膜是光学薄膜中重要的一个组成部分。f a r a d a y 于1 8 5 7 年使金属线在一种惰 性气体中爆炸时制成了金属膜，被认为是最早蒸发得到金属膜，1 8 8 7 年n a h r w o l d 用铂 线电阻加热在低真空中淀积出金膜，18 8 8 年k u n d t 为了测量金属的折射率也利用这种技 术制备了金属膜。1 9 1 2 年p o h l 和p r i n g s h e i m 对金属膜的真空蒸发技术发展作了进一步 的完善【3 】。如今，金属薄膜的制备方法已经十分成熟，根据不同材料可以采用热蒸发、 电子束蒸发、反应离子束、磁控溅射等。 1 1 1 金属薄膜的光学特性 金属膜的复折射率n 取决于它的电子结构，当电子吸收光子能量后，便产生带外跃 迁和带内跃迁。带外跃迁涉及到自由电子，带内跃迁仅从一个能级跳到另一个能级。复 折射率n 与复介电常数s 的关系是： s = 蜀一i e 2 = n 2 = 0 一政) 2 ， ( 1 1 ) 式中玎和k 分别表示薄膜的折射率和消光系数，式( 1 1 ) 包含自由电子和带内跃迁的贡献： e = s ，+ e b ， ( 1 2 ) 其中仅由带内跃迁决定，带外跃迁的色散公式由d r u d e 模型表示，它可表示金属膜的 光学性质， s ，：1 一上，( 1 3 ) o d ( c o + i t ) 、 其中r 代表弛豫频率，= 肌2 m e 。，称为等离子体频率，n 为自由电子密度，p 为 电子电荷，m 为自由电子有效质量。 自由电子在电场作用下能在金属中移动，形成传导电流，因此金属膜具有较好的导 浙江大学博士学位论文 电性；自由电子的移动同时也导致发热，产生光吸收；另外薄膜表面会阻碍自由电子运 动，产生表面电荷，引起表面等离子体振荡( 将在下一节具体介绍) 。 对于比较厚的金属膜，在空气中垂直入射时的反射率r 是 2 】： r = ( 1 一”) 2 + k 2 面丽 ( 1 4 ) 对于常见的金属a g ，a 1 ，a u ，在可见光或近红外区域，k n 已较大，因此可以得到很 高的反射率 3 】，图1 1 中给出了几种常见金属膜的反射率曲线。 光以0 角斜入射时，仍然考虑k i n 1 情况，反射率可以近似为： d ( ，z 一1 c o s o ) 24 - k 2 一p ( 刀+ 1 c o s o ) 2 + k 2 足= 瓦( n - i c o 而s o ) 2 + k 2 5 ( ，z + c o s p ) 2 + 尼2 ( 1 5 ) 从式( 1 5 ) g 以看出，| | r l 较大时，金属膜反射率随角度改变变化较小，而且两偏振光分 离也比较小，因此金属膜具有较小的偏振效应。 光波在金属膜中的传播是呈指数衰减的，并可用朗伯定律来描述： e = e o e 咖驯a ， ( 1 6 ) 式中d 为金属膜厚度，a 为光波长。对于a l 和a g 膜，可见光区的k 大约为3 - 7 。可见， 当这些金属膜的几何厚度为l o o n m 时，透射率降低到0 0 0 1 以下。k 越大，透射光强 衰减越快。在红外区，k 迅速增大，膜厚仍可保持与可见光区相同。需要注意的是，采 用过大的厚度，金属膜的反射率非但不会提高，甚至下降，这是因为膜层颗粒度变粗导 致散射增加【l 】。 1 1 2 金属薄膜的应用 金属薄膜的应用取决于金属薄膜的特性，由于金属薄膜具有反射高、截止宽、偏振 小、导电性、成本低( 层数少) 以及能激发s p p s 等特点，所以得到了广泛应用。 1 反射镜 金属薄膜由于在宽波段具有很高的反射率，因此被广泛应用于反射镜，常用的材料 有a g ，a l ，a u 等。a g 在可见和红外区具有高于常用材料的反射率，但a g 膜附着力较 差，机械性能和化学稳定性不好。蒸发速率对a g 膜光学性质影响非常明显，速率较慢 时，吸收增大。在可见光谱区银膜暴露大气后，其反射率损失相当严重，因此必须采用 保护膜，常用的有m g f 2 ，a h 0 3 ，s i o x 等。a l 在紫外光区反射率最高，从紫外到红外 2 1 绪论 都有很高的反射率，机械强度较好，且有一层天然的a 1 2 0 3 保护层，使得反射率保持长 期稳定，作反射镜材料具有优势。a u 在红外区有几乎和银差不多的高反射率。其化学 稳定性要比银好得多，不易受氧化，在大气中也不易受污染，所以常用作红外反射镜。 新蒸发金膜较软，与玻璃附着力差，随着时间增加，硬度和附着力有所改善【4 】。 妇o j o j0 1 1o 7o 每0 9 o23摹暑70e 訇 w 如蛔g l h ( l i ) 图1 1 各种金属反射膜的反射率曲线【4 】 根据金属膜的高反射性，可以用来制作法布里珀罗( f p ) 滤光片，1 9 4 0 年就得到 了第一批金属介质干涉滤光片，已在光学、激光、天文物理学等领域得到广泛的应用。 2 吸收体 某些金属的光学常数1 1 和k 的数值相差不多，如c r 、n i 等，因而具有很好的吸收 特性。在太阳能电池和热探测中可用作红外宽波段的吸收体来增强器件效率，这种吸收 体的经典膜系是l 4 的介质薄膜夹在两层不透1 明( o p a q u e ) - 9 半透 ) j ( s e m i t r a n s p a r e n t ) 金属 薄膜之间的三明治结构，从两层金属薄膜反射的光干涉相消因而使反射极小，图1 2 就 是这种结构的简图和实测的吸收光谱【5 】。 佐紫 _ 卜h 曲f 哪瑚由 制吐n _ - h 哺啪伽撸知翻a 晖 删曲l _ 帕a 图1 - 2 典型三明治结构的吸收体简图和实测的吸收光谱 5 】 舯 m 啡 鲫 叼孙 俺 一事一旦譬鼍芷 浙江大学博十学位论文 近年来在空间光学应用( s p a c eo p t i c s ) d p ，为了消除杂散光的影响，设计一定的挡光 板( b a f f l e ) 是必需的，金属介质的黑色吸收体具有厚度薄和尺寸小的优点而受到关注。这 时关心的是可见光和近红外( 0 和1 2 h m ) 波段内的无色散吸收，这么宽的波段 ( g = 1 2 0 4 = 3 ) 应用经典的三明治结构已不能达到要求，必须采用多层的金属介质结构。 采用许多理论假设的中间等效导纳，以介质金属介质的三层薄膜为无色散的基本设计单 元，使膜系的等效导纳逐渐从金属基板向外层空气介质逼近，可以获得无色散的宽波段 减反射膜系，由于透过率为0 ，因而这是一个好的吸收体。它的常用膜系为 g l a s s l c r ( o p a q u e ) ( n a 3 a i f 6 1 c r in a 3 a i f 6 ) 3 l a i r ，通过一些优化可以获得更好的结果，图1 3 就是理论设计和测试的结果 6 】。 t o|041007 0 0i o w l v o l 4 n g t h ( r i m ) 图1 3 多层金属介质的吸收体理论设计和测试光谱曲线【6 】 3 减反射消静电镀层和低辐射滤光片 金属的优良光学特性与电学特性的结合，可以应用于减反射消静电镀层 ( a r a s ( a n t i r e f l e c t i o n , a n t i - s t a t i c ) c o a t i n g ) 和低辐射滤光片( l o we ( l o we m i s s i v i t y ) f i l t e r ) 减反射消静电镀层往往采用金属介质的两层膜系，常用结构是g l a s s l c u l s i 0 2 或者 g l a s s l a u l s i 0 2 ，通过精心选择一定光学常数的金属和介质，设计两层薄膜的厚度使得膜 系的等效导纳为1 ，可以在可见光波段具有很低的反射率并保证较高的透过率，同时利 用金属薄膜的导电性可以消除静电荷的积累，如图1 4 所示分别是g l a s s l c u l s i 0 2 和 g l a s s l a u l s i 0 2 膜系实测的光谱曲线。这在现代显示技术( l c d ，o l e d ，c r t ) 上可以 减小背景杂散光的影响而提高对比度同时具有消除电磁干扰的作用【7 】。 4 1 绪论 图l - 4g l a s s c u s i 0 2 和g l a s s l a u l s i 0 2 膜系实测的光谱曲线【7 】 低辐射滤光片，通过多层金属介质膜系( a g 和i t o 是常用的材料) ，利用金属与匹 配介质层在可见光区具有较高的透过率，而在近红外由于高的反射率或者吸收使透过率 很低的特点，可以制作出在可见区高透而近红外截止的滤光片，同时由于金属的良好导 电性，使得这种镀层的方块电阻低至1 - 2 d 口，这可以起到很好的电磁屏蔽作用。这种 滤光片的常用膜系是a i r t i o e ( 2 4 n m ) j t i ( 1 8 n m ) l a g ( 1 7 n m ) l t i o e l t i l a g ( 1 3 n m ) l t i 0 2 2 g l a s s ， 图1 5 就是这种膜系的实测光谱曲线和方块电阻。高导电性能的电磁屏蔽作用以及近红 外低的透过率( 可以防止红外辐射对控制系统的干扰) ，使得它具有的低辐射性 8 】。这 种滤光片在建筑和汽车玻璃以及现代显示器( 特别是p d p ) 中有很好的应用前景。 图1 - 5a i r l t i 0 2 i t i l a g l t i 0 2 i 啊l g g l t i 0 2 2 g l a s s 膜系的光谱曲线和方块电阻【8 】 4 诱导透射 1 9 5 7 年，b e m i n g 等人【9 】首次提出势透射率的概念，为诱导透射滤光片提供了一 种设计方法。因为金属薄膜的吸收不仅取决于金属膜本身的光学常数和厚度，而且与其 相邻介质的导纳密切相关，所以通过正确选择金属膜基片侧匹配膜堆的导纳，将使整个 膜系的势透射率成为最大。同时，在其入射侧设计适当的减反射膜堆，使整个膜系的反 射减小至接近于零，这样，就能诱发出金属膜最大的透射率，这就是诱导透射的概念。 一凸、g髫耋董喜 浙江大学博十学位论文 根据诱导透射概念设计的金属和介质组合的诱导透射滤光片( i t f ) ，相比于金属f p 滤光片有着较高的峰值透射率，而相比于全介质滤光片有很宽的截止区，因此适合于要 求峰值透射率较高和截止区很宽的各种情况，同时，用来抑制窄带全介质滤光片的长波 旁通带也具有优良的特陛 1 0 1 。 根据势透射率的概念，也可以利用金属膜系实现消偏振分束镜的设计【1 1 1 。由许可 的吸收率要求，选择合适的金属材料并确定其厚度；然后设计一介质膜系作为匹配膜堆， 使t e ，t m 偏振的势透射率成为最大并相互接近相等。最后，在入射侧设计一介质膜堆， 使整个膜系的t e ，t m 偏振的反射率接近相等并满足反射率透射率比的要求。由于要求 的折射率容差非常小，全介质消偏振镜至今还很难做出，即使单波长也很难；而上述设 计得到的器件层数少，结构简单，制造容差大，消偏振带宽。 基于金属薄膜的高反射性以及诱导透射，除了在设计波长处高透外，可以在其余的 宽波段内获得非常好的截止性。通过线性变化介质层的厚度，使得在不同的波长处诱导 出透射光，可以获得4 0 0 n m - - - 1 1 0 0 r i m 这么宽波段内( g = 3 ) 的线性变化滤光片( 1 i n e a r v a r i a b l ef i l t e r ) ，这是采用全介质的长波通+ 短波通的结构不可能实现的。它可以直接贴 在c c d 线阵或者阵列探测器( p d a ) 前，取代传统的棱镜或者光栅这种色散元件，可 以制作紧凑和轻便的光谱仪，这在卫星等空间应用上具有极大的优势。图1 - 6 就是一个 基于a g 的线性滤光片的理论和实验结果 1 2 ，1 3 。 w a v e l e n g t hf n m ) 囹1 - 6 基于诱导透射的线性变化滤光爿f 1 3 】 金属薄膜还有很多其它应用，利用其中性好的特点，可以作为宽频分光器；在可 见区具有反常色散，可以用来补偿多层介质膜系干涉引起的色散，制作z e m i k e 显微镜 中的无色散相位环等。 6 1 绪论 1 2 金属表面等离子体激元 对于金属材料来说，最为独特的性质是能够激发表面等离子激元。众所周知，金属 和半导体内部与表面存在大量自由电子，形成自由电子气团，称之为等离子体 ( p l a s m o n ) 。如果是存在于金属或者半导体表面的自由电子气团，就称为表面等离子体 ( s u r f a c ep l a s m o n ) ，它是光- 9 金属中自由电子之间相互作用产生的电磁波 1 4 1 6 。1 9 0 2 年，w o o d 在实验中首次发现了表面等离子激元共振现象，1 9 4 1 年，f a n o 等人根据金属 和空气界面上表面波的激发解释了这一现象。1 9 6 0 年，s t e m 和f e n e l l 研究了产生该共 振的条件并首次提出了表面等离子体激元的概念。 由于表面等离子激元波局域在金属介质界面的近场范围，对周围的材料参数十分 敏感，广泛应用在探测器件中【1 7 1 ，然而也因此，它的研究受到工艺水平的限削。随着 纳米技术的发展，人们已经能制作纳米级的光子元件，表面等离子激元也越来越受到学 术界的关注，展现出了许多奇异的性质 1 8 ，1 9 。比如，e b b e s e n 在2 0 0 n m 厚的银膜上 周期打孔( 直径1 5 0 n m 的圆孔排成二维正方格子，周期为o 9 9 i n ) ，可以形成入射光的超 强透射【2 0 】；在亚波长的金属狭缝周围加入周期性的结构，能够限制光的发散角度【2 l ， 2 2 】；利用金属光栅结构，实现了接近5 0 n m 的亚波长纳米刻蚀 2 3 ，2 4 等，亚波长波导、 光耦合器、光调制器也有报道，基于表面等离子激元的器件已经成为新一代光子器件的 重要组成部分。 本论文主要讨论金属薄膜结构中的表面等离子体激元及相关研究进展，由于表面等 离子概念的提出，人们也对金属薄膜的研究注入了新的热情，并发现了很多崭新的现象。 首先介绍金属表面等离子体激元的一些基本性质。 考虑在介电常数为s 。= s 。+ i e 。”的半无限大金属( z 0 ) - 9 介电常数为0 9 , - 无 限大介质( z 0 ) 相邻的情况，界面方向与x 方向平行。在t m 偏振下，表面等离子激 元在半无限大金属和介质中的电场可分别表示为 1 6 】： 互= e oe x p i ( k , , l x t l z c o t ) 易= 菇e x p i ( k ，2 x + k z 2 9 c o t ) ( 1 7 ) 后，为复数，所以电磁场在z 方向上呈现指数衰减。七，为平行界面方向波矢。根据边界条 件，可以得到： 哎，= 颤：= t 砭l s d + 也2 s 。= 0 ( 1 8 ) 浙江大学博士学位论文 而 乞= ， c ) 2 一k 2 ，扛1 , 2 ( 1 9 ) 将式( 1 8 ) 代入，可以得到色散关系： 屯5 詈最 聊 由于金属介电常数通常为复数s 。= s 。= s ，。+ f s 。”，因此 毗) 2 詈蓑，h ( 驴詈( 蓑) 3 ，2 每 ( 1 1 1 ) 根据式( 1 1 0 ) 画出表面等离子体激元的色散关系曲线，如图1 7 所示，在颤较小 的时候接近光线s ：( c o e ) ，但总是在光线的右侧，随着频率增大，逐渐远离光线，在 屯jo d 或8 。一一时，趋向值： 卿2 了丽c o p ( 1 1 2 ) 称为表面等离子激元共振频率。 由于表面等离子体激元的色散曲线在光线右边，即比相同频率的光具有更大的波矢 ( 绝对值) ，它被称为非辐射表面等离子体激元，需要一些特殊的结构达到波矢匹配，来 激发表面等离子体激元，常用的方式有棱镜耦合、光栅结构耦合以及近场激发等 1 6 1 。 8 w 利制蟹蛔 图1 7 半无限大金属介质界面表面等离子体激元的色散关系【1 6 】 由表面等离子体激元波矢的实部，得到其波长： k = 南= 警簪 ( 1 1 3 ) 1 绪论 表面等离子体激元波沿界面传播时，由于金属损耗的存在，电磁场强度以 e x p ( 一l i m ( t ) x i ) 衰减，定义表面等离子体激元波的传播距离为强度衰减到1 e 强度时对应 的传播长度，可以表示为： 三：1 ( 2 i m ( 颤) ) ：三( 毕) ，：( 1 1 4 ) 珊 占l 占2占i 是一个很重要的参数，它决定了表面等离子器件的导波能力，从式中可以看出， 要增大三，必须使用低损耗的金属材料。 由于 c ) 2 t 2 ，s 。 o ，可以从式( 1 9 ) 容易地得出表面等离子体激元电磁场的 幅度在垂直于界面方向以e x p ( - l k 乒1 ) 衰减。场在介质和金属中衰减到1 e 强度时对应的 深度分别为： 在介质中 6 乃= 去警 松属中 峨= 去警 ( 1 1 5 ) 如图1 8 所示。 l ? 嚏| 黾 彳 图1 - 8 表面等离子激元沿z 方向的电磁场示意图 1 7 1 在可见光波段，对于常见的金属材料，从式( 1 15 ) 可以看出，表面等离子波在金属 中的穿透深度大约为2 0 - 3 0 n m ，因此对于两边为半无限大对称介质的单层金属薄膜结构 ( d m d ) ，对称性使两个界面上的表面等离子激元频率相同，当金属膜厚度d 很薄，或 t ，d 1 时，两边界面上的电磁场发生耦合并分裂为高频模0 9 + ( 电场相对z = o 平面反对 称) 和低频模c o 一( 电场相对z = o 对称) 【2 5 2 6 】。国+ 与国一的值与屯和金属膜厚度d 有关， 可表示为如下形式， 9 浙江大学博士学位论文 + ：r = e l k z 2 + s 2 k z lt a n h - 去k z l d = 0 厶 一 l - 钳l k z 2 + e 2 k zc o t h 寺吃l d = o ( 1 1 6 ) 根据上式得到色散关系曲线，图1 - 9 中黑色曲线代表无限大金属表面等离子体激元的色 散关系，在它上方的曲线代表单层金属薄膜的高频模，下方为低频模，箭头方向代表金 属层厚度不断减小，可以看到，随着厚度减小，曲线都远离无限大金属表面等离子体激 元的曲线。 图1 - 9 单层金属膜表面等离子体激元的色散曲线，周围介质为空气。三对曲线分别代表金属层厚度 为6 0 n m ，4 0 n m ，2 0 n m 的情况 k o v a c s 与s c o t t 在1 9 7 7 年观测到了m g f 2 a l m g f 2 结构的能带分裂，并且注意到金 属膜厚度d 变小时，c o + 模的衰减变小 2 7 。1 9 8 1 年s a r i d 证实在对称结构中，高频模+ 的衰减随厚度d 减小而减