铝多层孔洞阵列的光透过特性研究

高创 王祥东 胡锦莲

摘 要：铝纳米结构具有表面等离激元（Surface Plasmon， SP）特性，其从深紫外到红外区的范围可控，在光电信息和能源方面具有重要的应用价值。本文利用SP和法布里-珀罗（Fabry–Pérot， F-P）共振，以铝多层孔洞阵列为研究对象，使用时域有限差分法，计算研究铝多层孔洞阵列的光学透过特性。结果表明，这种多层孔洞结构阵列，除了两个铝SP共振峰，多出一个可调制的F-P共振峰。同时，随着SiO2厚度增加，SP峰位变化不大，F-P峰位发生红移。特别当SP峰和F-P峰重合时，透射峰强度较高。

关键词：铝  表面等离激元  法布里-珀罗共振 孔洞阵列

中图分类号：U662                            文献标识码：A                  文章编号：1674-098X（2021）05（c）-0054-03

Study on light transmission characteristics of aluminum multilayer hole arrays

GAO Chuang  WANG Xiangdong  HU Jinlian*

（Anhui University of Technology， Ma'anshan， Anhui Province， 243032 China）

Abstract： Aluminum nanostructures have Surface Plasmon （SP） characteristics. Their range from deep ultraviolet to infrared is controllable. They have important application value in photoelectric information and energy. Using SP and Fabry- P é rot， F-P） resonance， taking aluminum multilayer hole array as the research object， the optical transmission characteristics of aluminum multilayer hole array are calculated and studied by using the finite difference time domain method. The results show that this multilayer hole structure array has one more modulated F-P resonance peak in addition to two aluminum SP resonance peaks. At the same time， with the increase of SiO2 thickness， the SP peak position changes little， and the F-P peak position redshifts. Especially when SP peak and F-P peak coincide， the transmission peak intensity is higher.

Key Words： Aluminum; Surface Plasmon; Fabry–Pérot resonance; Hole array

表面等离激元（Surface Plasmon， SP）指的是在特定情况下金属表面带负电的自由电子在入射光场的作用下产生共振，由于入射光激发使得金属自由电子集体性地共振[1]，导致金属纳米结构具备表面等离子激元这一独特性质，它在光谱调控和光信息增強等多领域有重大的应用价值[2-4]。随着研究的进一步深入，亚波长狭缝、薄膜等都有相似的增透效应，这一现象更合理地解释为法布里-珀罗（F-P）共振。根据F-P共振条件，结构的厚度对F-P模式的共振波长具有强烈的影响作用[5]。

铝纳米结构材料，其表面等离激元从深紫外到红外区的范围可控，在光电信息和能源方面具有重要的应用价值。铝的表面容易生成致密的氧化物钝化层，其深紫外到红外范围内不会影响透光性质。对于铝圆形孔洞阵列结构，时域有限差分法模拟结果[6]表明，主要存在两个表面等离激元（Surface Plasmon， SP）共振峰。García-Vidal F J等[7]发现光增透效应可以由法布里-珀罗（Fabry–Pérot， F-P）共振引起。金属铝价格低廉，铝的表面等离激元可以从深紫外到红外进行大范围调制[6]，因而具有重要应用价值。但是，以金属铝为研究对象，将这两种机制结合起来还缺乏深入研究。本文以铝多层孔洞阵列（Al hole-SiO2 hole-Al hole array）为研究对象，探讨SiO2厚度对光学透射效应的影响规律。

1  计算方法

使用时域有限差分法模拟成六角对称的多层圆形孔洞阵列（Al hole-SiO2 hole-Al hole array）的透射光谱，结构示意图如图1（A）所示。在SiO2衬底上，两层铝膜之间夹一层SiO2，形成六角对称的孔洞阵列结构，铝和空气接触的界面有一层2nm厚的氧化铝层，孔洞中介质为空气。其中，P为两个相邻孔洞的中心距离，也是该结构的周期，d是孔洞的直径，H1和H2分别是铝多层孔洞阵列顶部和底部的厚度，t是两层铝孔洞阵列之间的SiO2孔洞阵列的厚度。在模拟过程中，模拟时间为1000fs，入射方向沿Z方向（垂直于金属表面），光源是平面波（plane wave）。电场偏振方向沿X轴，模拟时将入射光强度定为1。电场偏振方向沿X轴，模拟区域的边界条件，在X和Y方向上设定为周期性（periodic）边界条件，Z方向上设定为完美匹配层（PML）边界条件，为满足计算精度及提高运算速度，计算网格精度设定为dx=dy=dz=1nm。铝、氧化铝和SiO2的折射率取自Palik[8]主编的书。

2  結果与讨论

本文研究SiO2孔洞阵列的厚度变化对光学透射特性的影响（周期为200nm，铝孔洞阵列的厚度H1和H2为25nm，孔径d为120nm）。首先对SiO2的厚度t为120nm的结构进行模拟计算，得到的透射谱如图1（A）所示。可以明显看出透射谱中有3个共振峰，波长位于450nm的透射峰是由F-P共振引起的，称F-P模式[7]，波长位于226nm的透射峰是由入射光激发了上表面金属和空气界面的表面等离激元，称air（1，0）模式，波长位于360nm的透射峰是由入射光激发了下表面金属和SiO2衬底界面的表面等离激元，称SiO2（1，0）模式[6]。

保持其他的情况不变，通过改变SiO2孔洞阵列的厚度，其厚度分别为50nm、90nm、120nm、150nm、180nm、210nm和240nm，得到的透射谱如图1（B）和（C）所示，图1（B）是SiO2厚度从0变化到120nm的透射谱，图1（C）是SiO2厚度从150nm变化到240nm的透射谱。根据图1（B）和图1（C）作出图1（D），图1（D）是F-P模式、SiO2（1，0）模式和air（1，0）模式下的透射峰位与SiO2孔洞阵列厚度变化的关系图。

图1多层孔洞阵列（Alhole-SiO2hole-Alholearray）结构的光学特性（周期为200nm，孔洞直径d为120nm，铝孔洞阵列的厚度H1=H2=25nm）。图1（A）SiO2厚度t为120nm的透射谱（插图为铝多层圆孔洞阵列的示意图）;图1（B）SiO2厚度t从0变化到120nm的透射谱;图1（C）SiO2厚度t从150nm变化到240nm的透射谱;图1（D）F-P模式、SiO2（1，0）模式和air（1，0）模式下的峰位与SiO2厚度变化的关系图。

从图1（D）中可以看出，在两层金属铝孔洞阵列之间引入SiO2孔洞阵列后，透射光谱中明显多产生了一个峰，并且这个特定的透射峰随着SiO2厚度增加明显呈线性红移，透射峰的波长，波长红移量相对SiO2厚度t的增量比值是定量，表明透射峰位置与SiO2的厚度呈线性关系，这与类F-P腔共振机制相吻合。入射光通过该阵列结构时，该结构中的孔洞类似于F-P腔结构，从而产生F-P共振现象。随着SiO2厚度增加，SiO2（1，0）模式和air（1，0）模式的峰位几乎不移动，从侧面说明SiO2（1，0）模式和air（1，0）模式峰位是由SP模式共振机制占据主导作用，透射峰位主要由结构的周期决定。

随着两层铝孔洞阵列之间的SiO2孔洞阵列厚度的增加，F-P模式的峰位强度随着中间层SiO2厚度增加，峰位强度先增加后降低，SiO2厚度为90nm时（见图1（B）曲线c），透射强度较强。这是因为，此时SiO2（1，0）模式与F-P模式峰位耦合，导致峰位强度达到最强，随着SiO2厚度的增加，由F-P模式形成的透射峰红移，导致与SP模式的共振峰耦合减弱，峰位强度逐渐减低。SiO2（1，0）模式和air（1，0）模式的峰位强度随SiO2厚度增加呈不规则变化。在某些SiO2厚度下，SiO2（1，0）模式和air（1，0）模式形成的共振峰强度到达极值，说明由表面等离激元引起的共振透射峰的峰位强度依赖于SiO2的厚度，表明类F-P共振机制对SiO2（1，0）模式和air（1，0）模式形成的共振峰强度也具有调节作用。

3  结语

使用时域有限差分法计算铝多层孔洞阵列，主要存在3个透射峰，即两个铝SP共振峰，一个可调制的F-P共振峰。随着SiO2厚度增加，F-P峰位波长增加，SP峰位变化很小。调制SiO2厚度，可使SP峰和F-P峰重叠，此时透射峰达到极大值。该文中得到的铝多层孔洞阵列构，可以应用在在生化检测、光学存储和光电探测等光信息增强领域有着重要的应用价值。

参考文献

[1] Alam M Z，Yang Z，Sheik-Bahae M，et al. Directional excitation of surface plasmon using multi-mode interference in an aperture[J].Scientific Reports，2021，11（1）： 3170.

[2] Lee J Y，Cheng X，Wang Y.Ultraviolet plasmonic enhancement of the native fluorescence of tryptophan on aluminum nano-hole arrays[J]. Journal of Physics D：Applied Physics，2021，54（13）： 135107.

[3] Chumpol K，Mcevoy N，Zhang X，et al.Multiphoton absorption and graphitization in poly（methyl methacrylate）-coated aluminum nanoantenna arrays[J].The Journal of Physical Chemistry C，2020，124（16）：8930-8937.

[4] Wang B，Singh S C，Lu H，et al.Design of aluminum bowtie nanoantenna array with geometrical control to tune LSPR from UV to Near-IR for Optical Sensing[J].Plasmonics，2020，15（2）：609–621.

[5] Li Z，Butun S，Aydin K.Lithography-free transmission filters at ultraviolet frequencies using ultra-thin aluminum films[J].Journal of Optics，2016，18（6）：065006.

[6] Hu J，Shen M，Li Z，et al.Dual-channel extraordinary ultraviolet transmission through an aluminum nanohole Array[J].Nanotechnology，2017，28（21）：215205.

[7] García-Vidal F J，Martín-Moreno L.Transmission and focusing of light in one-dimensional periodically nanostructured metals[J].Physical Review B，2002，66（15）：155-412.

[8] Palik E D.Handbook of optical constants of solids[M].New York：Academic Press，1985.