亚波长孔阵列的太赫兹波异常透射研究

1、亚波长孔阵列的太赫兹波异常透射研究3王媛媛张彩虹马金龙金飙兵许伟伟康琳陈健吴培亨(南京大学超导电子学研究所,南京210093(2009年2月5日收到;2009年2月12日收到修改稿利用太赫兹时域光谱(TH z 2T DS 系统,在5300K 温区下测量了在厚度约200nm 的金属Nb 薄膜刻蚀的亚波长圆孔阵列的异常TH z 波透射情况.实验结果表明,在0132TH z 波段,具有亚波长孔阵结构的金属Nb 薄膜的异常透射现象波谱的峰位置与CST (com puter simulation technology 软件仿真模拟的结果一致,峰值随温度降低有逐渐增强的趋势.关键词:亚波长孔阵列,TH z

2、 时域光谱技术,异常透射PACC :3220F ,7430G,74903国家自然科学基金(批准号:10778602,60721063、国家重点基础研究发展计划(批准号:2006C B601006和江苏省高校自然科学基金(批准号:BK 2007713资助的课题.通讯联系人.E -mail :chenj6311引言金属薄膜上的亚波长孔阵的异常光透射现象在近年来引起了人们的广泛关注.这些出现透射增强的波长是由金属材料的参数、小洞的几何形状和排列的周期控制的.这一现象最初被归因于由于入射光和金属表面的自由电子集体震荡之间的相互作用而在金属表面产生的电荷密度波,也就是表面等离激元(SPP 114.另一方

3、面,太赫兹(TH z 波的特殊电磁学性质也是学术界研究的焦点.近年来,超快激光技术15的发展,为脉冲TH z 波的产生和探测提供了稳定、可靠的激发光源,并且可以使用TH z 时域光谱(T DS 技术方便地检测物质的频谱和相位延迟特性.这在很多方面弥补了傅里叶变换红外光谱技术和X 射线技术的频宽缺陷1622.近年来,亚波长结构在太赫兹波段的性质也引起了各方面的广泛关注23,24.本文利用TH z 2T DS 测量系统,在5300K 温度区域,对具有周期圆孔阵列的金属Nb 薄膜的TH z 波段透射情况进行测量和分析.结果表明,亚波长小孔阵列的异常透射情况与理论计算相符合,Nb 薄膜在低温下由于导电

4、率增大,TH z 波激发的表面电流增大,使得TH z .21实验本实验使用的是立陶宛Ekspla 公司生产的传输型T DS 系统,系统构成如图1所示.激光器是C oherent 公司生产的锁模钛蓝宝石激光器,中心波长800nm ,脉冲宽度小于100fs ,重复频率为82MH z.TH z 发射器和探测器都是安装在高阻硅半图1低温TH z 2T DS 系统框图第58卷第10期2009年10月100023290200958(106884205物理学报ACT A PHY SIC A SI NIC AV ol.58,N o.10,October ,20092009Chin.Phys.S oc. 球透镜

5、上的G aAs 光电导天线.飞秒激光在光路中被分为两路,一路作为抽运光通过时间延迟装置射向发射光导天线激发TH z 波,另一路作为探测光与TH z 波同时到达探测光导天线,经过锁相放大,获得较大的输出信号.样品放置在牛津仪器公司生产的光学低温杜瓦中,温度控制范围为5300K.系统的有效带宽为0123TH z ,信噪比大于1000.因为空气中的水蒸气对TH z 波有强烈的吸收,为了避免这一影响,本实验中将TH z 光路置于基本密闭的有机玻璃罩中(见图1,并向罩中连续充入无水纯氮气,使相对湿度保持在3%以下.测量时,样品置于两聚焦抛物镜之间的中心处,并尽可能与入射光垂直.样品制备:用微加工技术制备

6、了由圆孔阵列(见图2构成的样品.首先,在500m 厚度的高阻硅(Si 基片上溅射约200nm 厚度的Nb 薄膜.样品的基底选择高阻Si 基片是因为硅在整个TH z 波段具有良好的透射特性.然后,利用光刻机在其表面刻蚀小孔,并用反应离子刻蚀技术刻蚀出具有周期结构的圆孔.图2中的两个样品小孔的半径分别为15和20m ,孔阵列的晶格常数分别为60和80m ,样品制备完成后大小约为10mm ×10 mm.图2样品的显微镜照片(a 样品1,(b 样品231数据处理及结果讨论在测量时,首先在低温系统中测量没有金属结构的Si 基片作为参考信号E r (t ,然后再置入待测样品,获得的信号为样品信号

7、E s (t .参考信号和样品信号分别进行快速傅里叶变换(FFT 获得相应的传输系数频域谱H (1H (=E s (E r (.(1由于TH z 波在低温杜瓦的窗口之间存在反射,加之参考信号测量时由于Si 基片两表面内部的Fabry 2Perot 反射产生的低频振荡,在时域信号主脉冲后面会出现明显的回波,如图3所示,因此不可避免地使得测量结果的频谱在低频部分出现振荡.为了消除此回波的影响,在处理数据时,我们采用了对时域信号加窗滤波的方法,滤除主脉冲后面的回波,再进行FFT 变换,得到相对平滑的频谱.当参考信号为无结构的Si 基片时,传输系数频域谱公式转变为如下所示25 :H (=2n f (n

8、 s +1exp i (n f -1d f c exp i (n s -1(d s -d s c (1+n f (n f +n s +(1-n f (n f -n s exp 2i n fd f c,(2其中,c 为光速,n f 和n s 分别为薄膜和基片的复折射率,d f 和d s 分别为薄膜和基片的厚度.表面无结构的基片的厚度用d s 表示.在实验测量中,用来测量参考信号的Si 基片与有金属表面结构的样品基片取自同一片Si 基片,因此,近似认为d s =d s ,(2式可简化为25H (=2n f (n s +1expi (n f -1d f c (1+n f (n f +n s +(1-

9、n f (n f -n s exp2i n f d f c .(3588610期王媛媛等:亚波长孔阵列的太赫兹波异常透射研究 图3500m 厚度的S i 基片在TH z 2T DS 低温系统中的透射谱信号(a 时域谱,(b 频域谱同时,由图3中的时域信号和频谱信号可以看出,我们使用的500m 高阻Si 基片在不同的温度条件下TH z 频谱性状稳定,在信号处理加窗的过程中可以直接处理.为得到金属结构的透射谱的峰的位置,我们在实验前,利用基于时域积分算法(FIT D 的数值模拟软件CST 计算了样品的透射谱.建模过程中采用Si 基片作为基底,按照样品尺寸构建了紧贴Si 基片的012m 厚的具有圆孔

10、阵列的金属薄膜,边界条件选择了在样品平面周期性边界,对该模型的S 参数进行模拟.尺寸与样品1和样品2相同的理想金属薄膜上的单个圆孔的透射谱模拟结果见图4(a 和图5(a .对于单个圆孔,其透射谱在0133TH z 频段是单调增加的,在我们关注的频谱范围内没有明显的透射峰存在.图4(b 和图5(b 为刻有圆形小孔阵列的Nb 薄膜样品的透射谱实验结果和同尺寸小孔阵列模型CST (com puter simulation technology 软件模拟结果的比较图,实线为两个样品尺寸下理想金属薄膜小孔阵列的CST 模拟计算结果,点划线为样品的测量结果.从图中可以看出,样品1在11426和21046T

11、H z 频点出现明显的共振峰,样品2在11074和11514TH z 出现明显的共振峰,均与实线绘出的CST 模拟峰位结果一致.我们选择样品2进行了低温条件下的测量,图5(b 中,实线为理想金属薄膜小孔阵列的频谱CST 模拟结果,圆圈、正三角形、倒三角形、菱形、十字形、正方形曲线分别为5,7,15,100,200,250K 下的样品的TH z 频谱图实验结果.随着样品温度的降低,11074TH z 位置的透射峰幅值增加,而在11514TH z 位置,5K 条件下的透射率最高 .图4样品1的透射频谱(a 单个孔的模拟结果,(b 孔阵列样品在常温下的结果对于亚波长圆孔阵列的异常增强透射,出现增强透

12、射的频率位置可以由以下公式给出1:ext =G i ,jn eff,(4这里的n eff 是刻有小孔金属薄膜的等效介电常数,G i ,j =i 2+j2P是亚波长小孔阵列的倒格矢,P 是点阵的空间周期,i 和j 是正数.将样品1和样品2的透射谱中出现的异常透射的频率相对于最低频率的6886物理学报58卷 图5样品2的透射频谱(a 单个孔的模拟结果,(b 孔阵列在不同温度下的结果位置归一化,由(4式可以得出最低频率的异常透射对应着(1,0模式,则从以上的波数可以得到约1,1140,分别对应G 1,0和G 1,1.由于Si 基片的吸收,使得在高于2TH z 的频段H (参数出现明显的波动,因此在这

13、里略去.同时,由于基片上溅射的金属为Nb ,由图6中利用四端子法测量样品2得到的电阻2温度(R 2T 曲线可知,样品2的Nb 膜超导转变温度T C 约为912K,在300K 到912K 以上区域,电阻随温度降低而降低.由图4可以看出,随着温度的降低,在11074和11514TH z 处出现的两个峰的峰值分别都有所增加.原因应当是由于温度的降低使得Nb 薄膜的导电率增加,表面电阻减小,表面波强度增加,但是峰的位置是保持不变的.由于实验条件的限制,杜瓦的两个光学窗口没有加载红外滤波等,导致并未能将样品温度降至转变温度以下.包括超导膜等进一步的实验尚在进行中 .图6样品2的R 2T 曲线41结论利用

14、低温TH z 2T DS 系统,测量了低温环境下,Nb 薄膜小孔阵列的异常透射现象.实验结果表明,TH z 频段,亚波长小孔阵列也存在着异常透射现象,并且随着温度的降低,Nb 的电导率增加,感应电流也随之有增加,异常透射峰也有增强的趋势.这些结果对于研究金属薄膜上亚波长小孔阵列的异常透射现象根本原理有着重要的参考价值.1Ebbesen T W ,Lezec H J ,G haem i H F ,Thio T ,W olff P A 1998Nature 3916672Altewischer E ,van Exter M P ,W oerdman J P 2002Nature 4183043Ba

15、rnes W L ,Dereux A ,Ebbesen T W 2003Nature 4248244Ocelic N ,Hillenbrand R 2004Nature Mater .36065Pendry J B ,M artin 2M oreno L ,G arcia 2Vidal F J 2004Science 3058476Brav o 2Abad J ,Degiron A ,Przybilla F ,G enet C ,G arcia 2Vidal F J ,M arlin 2M orenol L ,Ebbesen T W 2006Nature Phys .21207Bao YJ ,

16、Li H M ,Chen X C ,Peng R W ,W ang M ,Lu X ,Shao J ,M ing N B 2008Appl .Phys .Lett .921519028T ang Z H ,Peng R W ,W ang Z ,Wu X ,Bao Y J ,W ang Q J ,Zhang Z J ,Sun W H ,W ang M 2007Phys .Rev .B 761954059M atsui T ,Agrawal A ,Nahata A ,Vardeny Z V 2007Nature 44651710G ay G,Alloschery O ,de Lesegno B V

17、 ,O Dwyer C ,W einer J ,Lezec H T 2006Nature Phys .226211Liu H ,Lalanne P 2008Nature 45272812G enet C ,Ebbesen T W 2007Nature 4453913M artin 2M oreno L ,G arcia 2Vidal F J ,Lezec H J ,Pellerin KM ,Thio T ,Pendry J B ,Ebbesen T W 2001Phys .Rev .Lett .861114788610期王媛媛等:亚波长孔阵列的太赫兹波异常透射研究14Bao YJ,Peng R

18、 W,Shu D J,W ang M,Lu X,Shao J,Lu W,M ing N B2008Phys.Rev.Lett.10108740115Shi W,Zhao W,Zhang X B,Li E L2002Acta Phys.Sin.51867(in Chinese施卫、赵卫、张显斌、李恩玲2002物理学报5186716Fergus on B,Zhang X C2002Natural Material12617T onouchi M2007Nature Photonics19718Zhao G Z2006Modern Scientific Instruments236(in Chine

19、se赵国忠2006现代科学仪器23619Zhang X N,Chen J,Zhou Z K2005Laser and Optronics Progress4235(in Chinese张兴宁、陈稷、周泽魁2005激光与光电子学进展423520Shen J L,Zhang C L2005Nondestructive Testing27146(inChinese沈京玲、张存林2005无损检测2714621Zhang Z W,Cui W L,Zhang Y,Zhang C L2006J.InfraredMillim.Waves25217(in Chinese张振伟、崔伟丽、张岩、张存林2006红外与

20、毫米波学报2521722H ou B H,Shao M,Xu X L,W ang L,W ang J Y,Fan Z D2007Acta Phys.Sin.561370(in Chinese侯碧辉、邵萌、徐新龙、汪力、王吉有、范志达2008物理学报56137023M eng K,W ang Y H,Chen L W,Zhang Y2008Acta Phys.Sin.573198(in Chinese孟阔、王艳花、陈龙旺、张岩2008物理学报57319824M eng T H,Zhao G Z,Zhang C L2008Acta Phys.Sin.573846(in Chinese孟田华、赵国忠

21、、张存林2008物理学报57384625Petzelt J,K u el P,RychetskI,Pashkin A,Ostapchuk T2003Ferroelectrics288169Extraordinary transmission of sub2wavelengthaperture s in terahertz region3W ang Y uan2Y uanZhang Cai2H ongM a Jin2LongJin Biao2BingXu W ei2W eiK ang LinChen Jian Wu Pei2Heng (Research Institute o f Superconductor Electronics,Nanjing Univer sity,Nanjing210093,China(Received5February2009;revised manuscript received12February2009AbstractUsing terahertz time domain spectroscopy(TH z2T DS,TH z transm ission spectrum of the array w ith sub2wavelength apertures on the Nb thin film has been studied in the t