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m e m s 金属电介质光子晶体的强透射特性研究复旦大学博士论文 摘要 m e m s 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m e m s 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 t w o d i m e n s i o n a lm e t a l l i c s u b w a v e l e n g t hh o l ea r r a y s ( t d m s h a ) 具有对特定波长光的选择与强透射 e x t r a o r d i n a r y0 p t i c a lt r a n s m i s s i o n ( e o t ) 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m e m s 红外辐射光源提供了一个有效的手 段。 本文以m e m s 红外气敏传感器为应用目标，采用m e m s 技术，设计和制作 一种由t d m s h a 和硅一空气光子晶体组合成的金属电介质光子晶体 m e t a l d i e l e c t r i cp h o t o n i cc r y s t a l ( m d p h c ) 结构。目的是利用m d p h c 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m e m s 红外光源。论文主要研究了三种结构，即m d p h c 、金属金属 电介质光子晶体 m e t a l m e t a l d i e l e c t r i cp h o t o n i cc r y s t a l ( m m d p h c ) 和金属 电介质金属电介质光子晶体 m e t a l d i e l e c t r i c m e t a l d i e l e c t r i cp h o t o n i cc r y s t a l ( m d m d p h c ) ，系统地探讨了这三种结构的e o t 新现象、新特性对提高等 离子体m e m s 红外光源的选频与光辐射增强特性的影响，为m e m s 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t d m s h a 和硅一空气光子晶体组合而成的m d p h c 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( ，= 0 2 ，0 2 5 ，0 3 ) 对 m d p h c 在金属空气界面中表面等离子体激元【s u r f a c ep l a s m o np o l a f i t o n s ( s p p ) 】( 1 ，0 ) 基态模式的e o t 特性的影响。在课题组设计和制作的金二氧化硅 硅m d p h c 结构基础上，对该结构进行了时域有限差分法( f d t d ) 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m d p h c ，当r a = o 时，o 2 5 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( k ) 与的关系式( k = 1 + 0 8 2 口口) 和实验结果拟合的关 系式( 钆。= 0 2 + 0 9 4 a o ) 基本属于一致的线性关系。这种线性关系与由s p p 耦 合作用机理推出的方程式( k 3 a o 2 = 0 8 7 a o ) 相符合，证实了该机理解释 m d p h c 的e o t 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 m e m s 金属电介质光子晶体的强透射特性研究复旦大学博士论文 趋肤深度的双层金属膜组成的m m d p h c 结构，发现该结构中的双层金属之间存 在s p p 相互耦合作用。探讨了最外层金属厚度( f 。) 对m m d p h c 的e o t 特性 的影响。采用m e m s 技术，设计和制作了由银金双层金属膜t d m s h a 和硅一 空气光子晶体组合而成的m m d p h c 结构。对该结构进行了f d t d 数值模拟和对 实验样品的透射光谱进行了测量。比较了m m d p h c 和m d p h c 的e o t 特性， 发现m m d p h c 比m d p h c 在金属空气界面中艘p ( 1 ，1 ) 次态模式的透射效率 【丁( k ) 】大，且其大小与乙无关；而m m d p h c 在金属空气界面中铲i 尸( 1 ，0 ) 基 态模式的丁( k ) 与乙有关；这说明银金双层组合膜之间存在s p p 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 ，2 3 n m ) 组成的正三角形晶格和正方形晶格两种圆孔阵列的 m m d p h c 在金属空气界面中胆p ( 1 ，o ) 基态模式的e o t 现象都与乙存在相似的 关系。随着乙的增加，透射峰的位置( 九。) 有规律地向短波长方向偏移； 当乙= 3 8 n m 时，m m d p h c 的丁( 九。，) 较大。 3 研究了由金属电介质金属三层组合膜组成的m d m d p h c 结构，探讨了 电介质的折射率对m d m d p h c 在金属空气界面中& h 1 ，0 ) 基态模式的e o t 特 性的影响，同时也讨论了不同电介质膜的厚度( b = 0 2 ，0 4 ，0 6 i m ) 的影响。采 用m e m s 技术，设计和制作了由金s i o，金三层膜组合的和硅一空nt d m s h a 气光子晶体构成的m d m d p h c 结构。对实验样品的透射光谱进行了测量。比较 了m d m d p h c 和m d p h c 的e o t 特性，发现m d m d p h c 的透射峰更窄了， 这说明金s i o x n ，金三层组合膜之间存在s p p 相互耦合作用。实验结果发现： 采用折射率小( 1 6 ) 的甄0 2l 03 比折射率大( 1 8 ) 的& d 0 6 1 组成的m d m d p h c 的九。小，这证实了s p p 相互耦合作用机理的正确性；采用低折射率的 0 2 1 o 3 组成的m d m d p h c 的丁( k ) 较大且透射峰较窄；采用薄的甄q 。 膜( o 2 微米) 组成的m d m d p h c 能够获得较大的丁( 九。，) 和较窄的透射峰；随 着彤d ，膜的厚度增加，m d m d p h c 在金属空气界面中卿( 1 ，0 ) 基态模式逐 渐退化，其透射峰也逐渐展宽。 关键词：m e m s ；等离子体m e m s 红外光源；表面等离子体；金属电介质 光子晶体；强透射 m e m s 金属电介质光子晶体的强透射特性研究复旦大学博士论文 a b s t r a c t m e m si n f r a r e dg a ss e n s o rh a se x c e l l e n ts e l e c t i v i t y , s e n s i t i v i t ya n ds t a b i l i t y o w i n gt ou s i n gs p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so fg a si l l sm e a s u r e m e n t t h e r e i n t o ，t h er e s e a r c h o nm e m si n f r a r e dl i g h ts o u i c e ，w h i c hi st h ek e yc o m p o n e n t so fi th a sb e e nc o n c e r n e d i nr e c e n ty e a r s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a n o m e t e rp l a s m o n i cc r y s t a l st e c h n o l o g y , i t w a sn o t e dt h a tu s i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft w o d i m e n s i o n a lm e t a l l i cs u b w a v e l e n g t h ( h o l ed i a m e t e rl e s st h a nh a l fo ft h ew a v e l e n g t ho fi n c i d e n tl i g h t ) r o u n dh o l ea r r a y s ( t d m s h a ) t os e l e c tas p e c i f i cw a v e l e n g t ho fl i g h ta n de n h a n c ee x t r a o r d i n a r yo p t i c a l t r a n s m i s s i o n ( e o t ) ，i ti sp o s s i b l et op r o v i d ea ne f f e c t i v em e a n so ff a b r i c a t i n gm e m s i n f r a r e dr a d i a t i o nl i g h ts o u r c eh a v i n gav e r yg o o ds e l e c t i o na n de n h a n c e m e n ti na s p e c i f i cr a n g eo f i n f r a r e dl i g h t i nt h i sp a p e r , m e m si n f r a r e dg a ss e n s o r 嬲t h eg o a lo fa p p l i c a t i o n , w ed e s i g n a n df a b r i c a t et h em e t a l d i e l e c t r i cp h o t o n i cc r y s t a l ( m d p h c ) c o m b i n e ds t r u c t u r ew i t h t d m s h aa n ds i l i c o n - a i rp h o t o n i cc r y s t a lu s i n gm e m st e c h n o l o g y t h ep u r p o s ei s t of a b r i c a t e t h e p l a s m o n i cm e m si n f r a r e dl i g h ts o u r c e ，w h i c hc a ne m i th i g h p e r f o r m a n c e 、t u n a b l en a r r o w - b a n dl i g h tb yu s i n gt h e s et a i l o r - m a d ep r o p e r t i e so f m d p h ce n h a n c e dt h eb l a c k b o d yr a d i a t i o ns p e c t r u mt r a n s m i s s i o na n df i l t e r i n g t h e t h r e ek i n d so fs t r u c t u r e sw e r ei n v e s t i g a t e dm a i n l yb yu si nt h i sp a p e r , n a m e l y m d p h c、m e t a l 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 ( m m d p h c ) a n d m e t a l d i e l e c t r i c m e t a lp h o t o n i cc r y s t a l ( m d m d p h c ) ，w es y s t e m a t i c a l l ye x p l o r e d t h ee f f e c to fn e wp h e n o m e n aa n dn e wf e a t u r e so ft h ee o tf o rt h r e ed i f f e r e n t s t r u c t u r e st oe n h a n c et h ec h a r a c t e r i s t i c so fp l a s m o n i cm e m si n f r a r e dl i g h ts o u r c e s e l e c t e df r e q u e n c ya n do p t i c a lr a d i a t i o ne n h a n c e m e n t ，t h i sw i l lp r o v i d eat h e o r e t i c a l b a s i sa n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h ea p p l i c a t i o no fm e m si n f r a r e dg a ss e n s o r t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 w ei n v e s t i g a t e dm d p h cc o m b i n e ds t r u c t u r ew i t ht d m s h aa n ds i l i c o n - a i r p h o t o n i cc r y s t a l ，a n de x p l o r e dt h er a t i oo f t h eh o r i z o n t a lg e o m e t r yn a m e l yh o l er a d i u s r a t i ot ot h ea r r a yp e r i o d ( r a o = 0 2 ，0 2 5 ，0 3 ) e f f e c to nt h ee o tp e r f o r m a n c ea t m e t a l a i ri n t e r f a c es u r f a c ep l a s m o np o l a r i t o n s ( s p p ) ( 1 ，0 ) g r o u n d - s t a t em o d e lo f m d p h c b a s e do nt h ed e s i g na n dp r o d u c t i o no ft h e g o l d s i l i c o nd i o x i d e s i l i c o n m d p h cs t r u c t u r eb yo u rm e m s g r o u p ，w eu s e df d t dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt ot h e s t r u c t u r ea n dm e a s u r e dr e f l e c t a n c es p e c t r ao fe x p e r i m e n t a ls a m p l e s c o m p a r i n g 、析t h s q u a r el a t t i c er o u n dh o l ea r r a y , i ti sf o u n dt h a tb o t l lt h et h e o r e t i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v ep r o v e dt h a tm d p h c b e i n gc o m p o s e do ft r i a n g u l a r i i i 9 耋薹5删756 吣9川1洲洲y m e m s 金属电介质光子晶体的强透射特性研究复旦大学博士论文 l a t t i c er o u n dh o l ea r r a y , w h i l er a o = o 2 5 ，i tc a r lo b t a i nb e t t e re f f e c to fl i g h tt r a n s m i s s i o n e n h a n c e m e n ta n dn a r r o w e rt r a n s m i s s i o np e a k t h er e l a t i o n s h i p ( k = 1 + o 8 2 a o ) o fa r r a y p e r i o d ( a o ) a n dt h em i n i m u mr e f l e c t i v i t yp o s i t i o n ( k ) b yf i t t i n gt h et h e o r e t i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h er e l a t i o n s h i p ( k = 0 2 + 0 9 4 a o ) b yf i t t i n gt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sa r et h es a m el i n e a rr e l a t i o n s h i pb a s i c a l l y t h i sl i n e a rr e l a t i o n s h i pi sc o i n c i d e n t w i t ht h ee q u a t i o n ( k 4 3 a o 2 = 0 8 7 a o ) b y t l l ei n t r o d u c t i o no fs p pc o u p l i n g m e c h a n i s m ，i ti sc o n f i r m e dt h a tt h es p pc o u p l i n gm e c h a n i s mt oe x p l a i nt h ee o t c h a r a c t e r i s t i c so fm d p h ci sf e a s i b l e 2 w ei n v e s t i g a t e dm m d p h cc o m b i n e ds t r u c t u r ew i t hd o u b l e - l a y e r e dm e t a l l i c f i l m s ，w h i c ht h em e t a lf i l m st h i c k n e s so fo u t e rl a y e ri sl e s st h a ni t ss k i nd e p t ha n dt h e m e t a lf i l m st h i c k n e s so ft h ei n n e rl a y e ri sm u c hl a r g e rt h a ns k i nd e p t h i ti sf o u n dt h a t t h er o l eo fs p pm u t u a lc o u p l i n go c c u r sb e t w e e nt h ed o u b l e - m e t a lo ft h es t r u c t u r e t h e e f f e c to fm e t a lt h i c k n e s s ( 乙) a to u t e r m o s tl a y e ro nt h ee o tc h a r a c t e r i s t i c so f m m d p h cw a se x p l o r e db yu s w ed e s i g na n df a b r i c a t em m d p h cc o m b i n e d s t r u c t u r e 、析t l ls i l v e r g o l dd o u b l e l a y e r e dm e t a l l i cf i l m s t d m s h aa n ds i l i c o n - a i r p h o t o n i cc r y s t a lu s i n gm e m st e c h n o l o g y w eu s e d f d t dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt ot h e s t r u c t u r ea n dm e a s u r e dt r a n s m i s s i o ns p e c t r ao fe x p e r i m e n t a ls a m p l e s b yc o m p a r i n g t h ee o tc h a r a c t e r i s t i e so fm m d p h ca n dm d p h c ，i ti sf o u n dt h a tt h et r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c y 【r ( k ) 】o f 艘i 尸( 1 ，1 ) h y p o s t a t e m o d e la tm e t a l a i ri n t e r f a c eo f m m d p h ci s b i g g e rt h a nm d p h c ，a n di t h a sn o t h i n gt od ow i t l l 乙；a n dt h e 丁( k ) o f 卿( 1 ，0 ) g r o u n d - s t a t em o d e la t m e t a l a i ri n t e r f a c eo fm m d p h ch a s s o m e t h i n gt od o 、 ，i t l l 乙；i ti sd e m o n s t r a t e dt h a tt h es p p m u t u a lc o u p l i n gr o l eb e i n g b e t w e e ns i l v e r g o l dd o u b l e l a y e r e dm e t a l l i cf i l m so c c u r so n l ya tm e t a l a i ri n t e r f a c e t h er e s u l t sa r ef o u n dt h a t ：t h ee o tc h a r a c t e r i s t i c so fm m d p h cb e i n gc o m p o s e do f t r i a n g u l a rl a t t i c ea n ds q u a r el a t t i c er o u n dh o l ea r r a y s 、 ，i t l l d i f f e r e n ts i l v e rf i l m s t h i c k n e s s ( 乙= 1 5 ，3 8 ，2 3 n m ) e x i s t st h es i m i l a rr e l a t i o n s h i pw i t h 乙w i mt l l e i n c r e a s eo f 乙，t h ek s h i f tt ot h ed i r e c t i o no fs h o r t - w a v e l e n g t hr e g u l a r l y ；( 萤w h i l e t m = 3 8 n m ，m m d p h ch a sb i g g e r 丁( k ) 3 w ei n v e s t i g a t e dm d m d p h cc o m b i n e ds t r u c t u r e 、析mm e t a l d i e l e c t r i c m e t a l t r i l a y e rc o m b i n a t i o nm e m b r a n e ，t h ee f f e c to f r e f r a c t i v ei n d e xo fd i e l e c t r i co nt h ee o t c h a r a c t e r i s t i c s o f 肛p ( 1 ，o ) g r o u n d - s t a t e m o d e la tm e t a l a i ri n t e r f a c eo f m d m d p h cw a se x p l o r e db yu s ，a n da tt h es a m et i m ew ea l s od i s c u s s e dt h ei m p a c t o ft h e d i f f e r e n td i e l e c t r i cf i l m s t h i c k n e s s ( t d = 0 2 ，0 4 ，0 6 g m ) w ed e s i g na n d f a b r i c a t em d m d p h cc o m b i n e ds t r u c t u r ew i t ht d m s h ac o n s i s t i n go f i v m e m s 金属电介质光子晶体的强透射特性研究复旦大学博士论文 a u s i o , , n 。a ut h r e ec o m b i n a t i o nm e m b r a n ea n ds i l i c o n - a i rp h o t o n i cc r y s t a lu s i n g m e m st e c h n o l o g y w em e a s u r e dt r a n s m i s s i o ns p e c t r ao fe x p e r i m e n t a ls a m p l e s b y c o m p a r i n gt h ee o t c h a r a c t e r i s t i c so fm d m d p h ca n dm d p h c ，i ti sf o u n dt h a tt h e t r a n s m i s s i o np e a ko fm d m d p h cg e tm u c hn a r r o w e r , i ti sd e m o n s t r a t e dt h a tt h es p p m u t u a lc o u p l i n gr o l eb e t w e e na 枷s t o x n 。a ut h r e ec o m b i n a t i o nm e m b r a n ei n d e e d e x i s t s t h er e s u l t s a r ef o u n dt h a t ：ko fm d m d p h cb e i n gc o m p o s e do f & d 2 1 o 3w i t hs m a l lr e f r a c t i v ei n d e x ( 1 6 ) i ss m a l l e rt h a nt h a to f m d m d p h cb e i n g c o m p o s e do fs 0 0 6 1 w i t hl a r g er e f r a c t i v ei n d e x ( 1 8 ) ，t h ep h e n o m e n o nc a nv a l i d a t e t h ec o r r e c t n e s so fs p pm u t u a lc o u p l i n gr o l em e c h a n i s m ；m d m d p h cb e i n g c o m p o s e do fd i e l e c t r i cs i 0 2 1 0 3 w i t hs m a l lr e f r a c t i v ei n d e xh a sal a r g e rr ( a 咄) a n d an a r r o w e rt r a n s m i s s i o np e a k ；( 查) m d m d p h cb e i n gc o m p o s e do fs 0 x n 。w i t ht h i n f i l m ( 0 2o m ) i sa b l et og e tm u c hl a r g e rt ( k ) a n dn a r r o w e rt r a n s m i s s i o np e a k ； w i t ht h ei n c r e a s eo fs q ，f i l m st h i c k n e s s ，t h e 肛p ( 1 ，o ) g r o u n d s t a t em o d e la t m e t a l a i ri n t e r f a c eo fm d m d p h cg r a d u a l l yd e g r a d e s ，a n di t st r a n s m i s s i o np e a ka l s o g r a d u a l l yw i d e n s k e y w o r d s ：m e m s ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) ；p l a s m o n i cm e m s i n f r a r e dl i g h ts o u r c e ；s u r f a c ep l a s m o n ；m e t a l d i e l e c t r i cp h o t o n i cc r y s t a l ；e x t r a o r d i n a r y o p t i c a lt r a n s m i s s i o n ( e o t ) v m e m s 金属，电介质光子晶体的强透射特性研究复旦大学博士论文 第一章绪论 对光与物质之间相互作用的理解和控制，一直是光学领域中至关重要的研究 课题。二十世纪以来，人们希望能够像类似于对固体中的电子一样，方便、简单 地对光进行使用和控制。1 9 9 4 年，b e t h e ，h a 从理论上分析了光通过无限薄的 理想金属薄膜亚波长单圆孔的透射情况，认为其透射效率的大小与( 酬a ) 4 成正比 例f 1 1 。若圆孔径( d ) 远小于入射光波长( a ) ，则透射效率远小于l ；随着圆孔 径的尺寸减小，其透射效率下降。这是因为入射光的自由传播受到效率极低的亚 波长圆孔隧穿机制的限制。然而，1 9 9 8 年t w e b b e s e n 等) l t 2 j 在实验中首次发现， 这些相同的金属薄膜上的亚波长单圆孔如果排列成一个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 t w o d i m e n s i o n a lm e t a l l i cs u b w a v e l e n g t h h o l ea r r a y s ( t d m s h a ) 】时，会在特定波长内展现出光透射增强 e x t r a o r d i n a r y o p t i c a lt r a n s m i s s i o n ( e o t ) 特性，即，具有“透射增强”与“滤波 两个重要的 光学特性。相比于b e t h e 的理论预计，光通过t d m s h a 结构透射增强了约1 0 0 0 倍。这是由于入射光与t d m s h a 结构中的金属表面自由电子的电荷密度波耦合 成表面等离子体 s u r f a c ep l a s m o n s ( s p ) 】i 2 , 3 】，却在特定的光波长内表现出e o t 现象。这个奇特的光学现象属于一个新的光学领域叫做纳米等离子体光学，在这 个纳米光学领域内，物体的物理尺寸的光学测量是在一个亚波长范围。这种周期 性圆孔阵列结构展现出的e o t 特性突破了传统小孔衍射理论的限制，给纳米等 离子体光学领域的研究注入了新鲜的血液，越来越备受人们极大的关注。 其中，表面等离子体晶体是纳米等离子体光学领域内的研究热点之一，它是 基于金属电介质界面中表面等离子体( s p ) 效应 4 , 5 1 的一种新型人工纳米结构光 学材料。由于这种晶体的几何结构与光子晶体构造形貌非常相似，并且表面等离 子增强的理论被大多数人所接受，所以有些科学家把它称之为“表面等离子体晶 体 。2 0 0 4 年，o k a m o t o 等人1 6 j 在总结前人的研究工作基础上，给表面等离子体 晶体下了一个比较确切的定义，即它就是“二维光子晶体+ 表面等离子体极化”。 2 0 0 5 年z a y a t s 等人【_ ”在“p h y s i c sr e p o r t s 上发表文章综述了基于表面等离子体 效应的纳米光学的发展及其所面临的科学问题，这标志着纳米等离子体光学及其 光子学器件的研究进入了以表面等离子体晶体为代表的重要发展阶段。 表面等离子晶体中存在的许多奇特的光学特性是基于金属电介质界面中的 表面等离子体与金属表面的自由电子集体振荡效应，它能够对局域近场光的激 发、耦合、传播和分布具有调控功能，探讨这些现象的物理机制或者研究其潜在 的应用具有重要的学术意义和应用价值。 m e m s 金属电介质光子晶体的强透射特性研究复旦大学博士论文 1 1 研究背景及意义 1 9 9 8 年，t we b b e s e n 等人首次报道了光通过t d m s h a 结构的e o t 现象。 在之后许多其它研究中发现，在金属膜单个亚波长孔的周围形成周期性纳米光栅 结构( 比如周期性排列的小坑、起伏和凹槽等【8 d o 】) ；光通过这些表面等离子晶 体时也会展现出e o t 现象。其实，表面等离子晶体结构还有其它多种形式，比 如亚波长小孔的形状可以是正方形、矩形、圆形和椭圆形等【l l - 1 3 ；小孔的周期性 排列方式可以是正三角形晶格小孔阵列、正方形晶格小孔阵列等亿1 4 1 ；甚至金属 表面形貌的横截面可以是正弦、三角形和梯形等不同的形状【1 5 , 1 6 。这些不同的纳 米结构的共同之处是都具有“金属表面周期性亚波长结构，因而都属于表面等 离子晶体。本文只介绍一种典型的表面等离子晶体，即二维金属亚波长圆孔阵列 ( t d m s h a ) 结构。 图1 1 所示的是一种典型的t d m s h a 结构扫描电子显微镜照片的顶视图， 它是由一个单层金属组成的正三角形晶格圆孔阵列结构。由图1 1 可以看出，该 结构中所有的圆孔都具有相等的直径，且周期性排列在金属薄膜上。由于所有的 圆孔都打穿金属膜，那么通过每个圆孔径传播出来的光分布应该都是相同的。 图1 1 一种典型的正三角形晶格圆孔阵列t d m s h a 结构扫描电子显微镜照片的顶视图 光与金属之间的相互作用会引发出了许多奇特的现象( 如t d m s h a 结构的 e o t 现象) ，这是由于金属具有的唯一特性即它能够维持一种由入射光感应出来 的金属表面中自由电子的集体共振激发，即表面等离子体激元 s u r f a c ep l a s m o n p o l a r i t o n s ( s p p ) 】 4 , 1 7 】。 考虑一个平坦光滑的金属表面，当一束光入射到金属表面上时，金属表面自 由电子的电荷密度波与入射光发生相互作用，导致电荷密度波涨落，引发集体振 荡，感生出表面等离子体( s p ) 。在可见光与近红外光波段范围内，k s , 。此 时的入射光的动量和能量与s p 的动量和能量不匹配，故入射光不会耦合成s p p 。 而t d m s h a 中周期性圆孔阵列结构能够提供一个光栅动量( g ) 来满足动量守 衡，即k s e = 颤+ g 。如果其能量也守衡，此时的入射光就会耦合成s p p b s j 9 1 。 s p p 是一种在金属电介质界面上激发并耦合电荷密度波起伏的电磁振荡， 2 m e m s 金属电介质光子晶体的强透射特性研究复旦大学博士论文 具有局域近场光的增强、金属表面受限和短波长等特性，在纳米等离子体光学的 研究中扮演着十分重要的角色。在光入射到金属电介质界面上且垂直于界面的 磁场分量不等于零时，其电磁振荡会引起金属表面自由电子集体的相对运动，这 种运动会导致电荷密度波的集体起伏，因此沿金属表面传播的s p p 实际上是电 磁波与电荷密度集体振荡波的混合。而它在垂直于金属表面的方向电场强度是呈 指数衰减的，对应于s p p 的金属表面局域特性。它的另一个独特的性质是近场 光的增强。近场光的增强程度取决于金属的介电常数、表面粗糙程度引起辐射损 耗以及金属薄膜的厚度等因素。 t d m s h a 之所以一直以来是纳米等离子体光学领域的研究热点。这是因为 光通过t d m s h a 结构【2 w 【如图1 2 ( a ) 所示】时，由于光与金属膜表面中自由电 子的电荷密度波发生共振耦合作用，会在特定的波长内表现出窄带透射增强特性 ( 其零阶透射光谱中存在明显的共振透射峰) 【如图1 2 ( b ) 所示】【2 1 1 。令人感到 奇怪的是，t d m s h a 所表现出的光学特性与人们根据经典电磁理论l l 】预测出来 的结果存在根本的不同( 产生远高于传统亚波长小孔的预测值约1 0 0 0 倍的强透 射) 。更有趣的是，人们只要简单地改变t d m s h a 结构中的材料或几何参数就 可以轻易地操纵不同频率的光的“反射 、“吸收和“透射特性，这对在近光 场的范围内如何控制具有不同频率的光子运动找到了一个明确的答案，同时也为 人们如何控制光在不同频率的条件下的使用打开了一扇希望之门。 盖 盘 翟 童 鲞 a 2 器 g 暑 一 自 知q 岫咆 w a v e l e n g l h ( r i m ) 图1 2 ( a ) ：入射光垂直通过金石英周期性圆孔阵列t d m s h a 结构的示意图；( b ) ：t d m s h a 实验测量的透射光谱图 继t we b b e s e n 等人所做的开创性工作之后，t d m s h a 的奇特e o t 特性吸 引了人们大量的关注。他们从实验和理论上分别详细地分析了增强光透射现象， 寻找这个e o t 现象的规律及其内在工作机制。譬如，小孔阵列几何结构和材料 等参数对e o t 特性的影响，分别从小孔大小、小孔形状、阵列对称性、阵列周 期和金属薄膜厚度 2 2 - 2 4 】等方面做了更细致的研究。另外，许多实验还在更广泛的 ，嘲掣嘲 m e m s 金属电介质光子晶体的强透射特性研究复旦大学博士论文 光谱范围中进行研究。周期性圆孔阵列的光透射增强现象在可见光区，近红外光 区1 2 , 1 9 1 和太赫兹( t h z ) 区【2 4 】都有相关的报道。 首先对e o t 现象的理论解释是t w e b b e s e n 等人提出的表面等离子体激元 ( s p p ) 共振耦合作用机理模型【2 1 9 1 。他们认为t d m s h a 的e o t 特性主要是由 于具有指数衰减特点的倏逝波耦合金属膜上下两个表面中的s p p 来增强光的透 射。具体的工作过程在第二章中的2 3 节内容( t d m s h a 的e o t 特性物理机理 一s p p 共振耦合作用) 中将作详细讨论，在这里不准备作进一步展开。在后来的 研究工作中，尽管绝大部分人把e o t 现象归结为s p p 共振耦合作用，但是也有 一些不同的理论被提出。他们认为表面等离子体在增强透过现象中的作用并不重 要，比如h e n r il e z e e 等人提出的复合衍射倏逝波( c d e w ) 模型【2 5 1 ，这种散射理 论模型也可以用来解释周期性小孔阵列结构增强光透射现象。最近，国内学者刘 海涛2 0 0 8 年在自然杂志上( n a t u r e ) 发表文章提出了一项解释亚波长金属小孔 阵列e o t 现象的微观理论1 2 6 。迄今为止，s p p 共振耦合作用仍然是被最普遍接 受的理论模型来解释e o t 现象。利用表面等离子体的色散关系和周期性光栅满 足的动量守恒方程，人们可以较准确地预测光共振透射峰的位置。 由于s p p 是局域在金