金属纳米结构增强介质光吸收的研究

王巧霞 薛娓娓 陈婷

摘 要：根据表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons，SPPs）的相关理论，基于SPPs的金属纳米聚焦结构能突破衍射极限，使电磁场空间局域增强，极大地提高光源的光子流量，进而增强介质光吸收能力的特性。SPPs独特的光学特性，使其在太阳能电池、发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）以及光电探测器等领域拥有巨大的应用前景。

关键词：表面等离子体激元（SPPs）;透射增强;光束聚焦

中图分类号：O485文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）17-0119-03

Study on Metal Nanostructures Enhancing Optical Absorption of Medium

WANG Qiaoxia XUE Weiwei CHEN Ting

（College of Xi'an Innovation， Yan'an University，Xian Shaanxi 710100）

Abstract： This thesis analyses metal nano-focusing structure according to the theory of Surface Plasmon Polaritons（SPPs） ，the metal nano-focusing structure can break the diffraction limit，and enhance the local electromagnetic field，and increase greatly the photon flux of light source，then enhance the optical absorption capacity of the mediun. SPPs special optical properties have potential application value in the fields of solar cells、LED、photodetector and so on.

Keywords： Surface Plasmon Polaritons（SPPs）;transmissionen hancement;beam focusing

随着纳米科学与微加工技术的迅速发展，光学研究已经进入了微纳时代。基于表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons，SPPs）的光电子器件能够将光波束缚在纳米尺度的区域内，可实现超越衍射极限的光能量传输和光场调控。因此，纳米光子学在光刻技术、纳米光学成像、生化传感以及新型光源等领域得到了广泛应用。光在通过金属薄膜上的二维亚波长孔径阵列时会产生透射增强效应，即超透射现象（Extraordinary Optical Transmission，EOT）。 经研究，超透射现象是由金属表面等离子体激元的共振激发和耦合引起的透射增强现象。应用SPPs空间局域和近场增强的性质，在半导体吸收层背面镀上金属膜。入射光激发的SPPs沿金属-半导体界面传播，入射光的大部分能量耦合到表面等离子体波，反射光的能量就会相应地减少，使得金属纳米结构就像光学天线一样把电磁能量聚集在纳米尺寸的空间里。因此，SPPs在半导体吸收层能有效地陷光和导光，提高介质材料光吸收的能力。SPPs透射增强的关键在于入射波同SPPs波能够达到匹配，可以通过构造表面褶皱、凹陷、光栅等结构实现。

1 局域表面等离子体激元增强透射

1.1 纳米金属颗粒

表面等离子体激元是指由外部电磁场（光波）诱导金属表面的自由电子发生集体共振的行为。它既可以局限在金屬纳米粒子里，也可以沿金属表面传播。按它的存在方式，大致可分为局域表面等离子体激元和表面等离子体极化激元两类。当金属制备成尺寸接近或小于光波波长的纳米颗粒，且金属颗粒与光子发生相互作用时，金属颗粒的电子云相对于核心发生位移，电子云与核心间的库仑引力作用产生恢复力将引起电子云振荡，导致粒子内部和外部近场区域的场放大，这种现象被称为局域表面等离子体激元。它的振荡频率主要由金属颗粒的大小、形状、材料以及介质环境等因素决定。当电磁波与纳米金属粒子相互作用时，载流电子与电磁场耦合会产生共振效应。金属颗粒对光波有较强的吸收和散射能力。局域表面等离子体激元在这种情况下不能传播，但可以向周围辐射电磁波。该电磁场被局限在亚波长尺寸范围内，可以将发散的电磁能量高度汇聚在金属纳米结构的近场区域。

1.2 纳米金属粒子阵列

实际应用中，等离子体激元不会仅涉及单个粒子，而是在大量的粒子群形成的纳米金属粒子阵列发生中场耦合。在太阳能电池吸收层的材料内部植入小球、椭球、圆柱或球壳等形状的金属纳米颗粒阵列，通过局域表面等离子体激元形成“光陷阱”法，可以捕获更多的太阳光，并局限在光电转化材料内部。这既增加了光子入射率，又增强了电池光电转化材料上的光强度，大大提高了光电转化的效率[1]。

2 表面等离子体极化激元增强透射

2.1 周期性结构的金属光栅

根据麦克斯韦电磁理论，当横磁波照射到有亚波长金属狭缝、金属孔或光栅结构修饰的金属薄膜上时，金属膜表面的微结构可以提供波矢补偿，激发表面等离子体激元[2]。小孔-凹槽和狭缝-凹槽是基本的增强透射单元结构，如图1所示。图1（a）为在纳米厚度的金属膜上制作的小孔，小孔被周期性的同心圆凹槽结构环绕。金属膜的入射面和出射面刻有同样的周期性结构。图1（c）的结构是在纳米厚度的金属膜上刻蚀一条狭缝，在狭缝两边的入射面和出射面上都刻有周期性凹槽形成光栅。特定波长的入射光直射到该周期性结构上可激发SPPs，并产生透射增强效应。出射面的周期性结构用以控制出射光束的方向和能量。图1（b）和图1（d）分别为小孔-凹槽和狭缝-凹槽金属结构用光学显微镜得到的相应光场分布照片。照片显示，这两种周期性金属纳米结构可以很好地汇聚出射光，从而增强透射能量。

由于金属表面等离子激元波的作用，光依然可以从纳米尺寸的微型孔中传播透射出来。周围的凹槽将SPPs波衍射，使之成为辐射光。对各个凹槽所衍射的光在自由空间中进行干涉加强，形成光聚焦。同理，在狭缝-凹槽结构中，当SPPs波从狭缝出口处向两侧表面传播时，凹槽的存在能够影响相应位置能量的存储和再释放。当平面波垂直入射到亚波长结构时，会不断地向凹槽内存储能量，之后经过不断反射再从凹槽内释放出来。从凹槽再释放的部分能量通过狭缝透射，与狭缝中的SPPs相互耦合，能够实现透射增强[3]。

在金属薄膜的表面刻写光栅，利用光栅的衍射光增加一个额外的波矢量，就可以使入射光的波矢量与SPPs波相匹配，在金属薄膜表面激发SPPs波。CHEN等人在银纳米薄膜上加工了一系列同心圆环狭缝，然后用径向偏振光照射结构产生了SPPs聚焦效应[4]。整个聚焦光束对于金属膜表面都是P偏振，因此可以大大提高SPPs的激发效率和光子能量的利用率。

2.2 介质辅助SPPs增强

在介质材料上通过剥离、化学腐蚀等成熟工艺加工出各种微纳结构[5]。当入射光的入射角大于临界角时，会在介质材料（棱镜）和金属界面处发生全反射并产生消逝波。该消逝波的波矢量大于原光波的波矢量，当对入射光的相位进行预先调制后，经过调制的光照射金属纳米结构会产生SPPs波。图2（a）为金属Ag膜直接镀在熔融石英棱镜表面组合的聚焦结构。光正入射到棱镜上，经折射进入金属-棱镜交界面。当入射光角度大于临界角时，光会发生全发射并产生倏逝波[kH=nk0sinθ]，其中n为棱镜的折射率，k0为入射光波矢量，[θ]为入射角。该倏逝波的波矢量大于原光波的波矢量。图2（b）为通过时域有限差分法（Finite-Difference Time-Domain，FDTD）对该结构进行2D计算仿真后得到的聚焦光束的光场分布。通过石英棱镜耦合产生波矢量增量，倏逝波的波矢量与SPPs波矢量相匹配，将引起Ag金属膜表面电子的共振，形成SPPs波光束聚焦增强效应。

金属-介质复合结构除了金属-棱镜结构外，还有由金属狭缝-平凸透镜组成的结构。当入射光正照射到该结构时，进入平凸透镜的光波会发生改变，使光束汇聚，在到达金属狭缝时就会激发SPPs。该波在狭缝中以传输模式到达出射端。金属狭缝参数相同，因此不会引起各个狭缝中SPPs间的相位延迟，只起到激发SPPs的作用;而平凸透镜会导致光的相位不同，要提供光束聚焦所需要的相位条件，因此在离开狭缝后SPPs将形成光聚焦，增强光的透射效果。LEE等提出把金属与介质材料相结合，以提高微纳结构的精度，有利于该聚焦结构和其他介质光子器件的结合[6]。试验发现，在金属狭缝阵列中加入非线性材料，这种结构可以实现光束的偏转和聚焦的动态控制。

3 结语

传统的太阳能电池主要依靠晶体硅等半导体材料实现光电转换，虽然具有效率高、寿命长等优点，但制作工艺复杂、成本过高等一直限制了其大规模应用推广。为了使太阳能电池能够得到广泛应用，要提高太阳能电池的光电转换效率，研究如何降低其成本。薄膜太阳能电池结构超薄，用料少，工艺简单，具有很大的应用前景和发展空间。随着纳米加工技术的日趋成熟，金属纳米结构在入射光的照射下会形成表面等离子体效应，把光束从三维“压缩”到二维金属-介质界面上，有效增强薄膜太阳能电池吸收层的陷光作用，增强其光吸收率，从而提高太阳能电池的光电转换效率[7]。可见，金属纳米结构增强介质光吸收的研究对太阳能电池的发展和应用具有重要意义。

参考文献：

[1]王纯子，黄凯.局域表面等离子体激元在光电器件中的应用[J].宜春学院学报，2015（3）：14-17.

[2]潘庭婷，曹文，王鸣.多圆孔周期性银膜阵列结构的光学特性[J].光学学报，2019（1）：291-298.

[3]陈全胜，佟玉应，庄园，等.基于金属狭缝-凹槽结构单向激发表面等离子体[J].中国激光，2014（5）：241-244.

[4]CHEN W，ABEYSINGHE D C，NELSON R L，et al.Plasmonic lens made of multiple concentric metallic rings under radially polarized illumination[J].Nano Letters，2009（12）：4320-4325.

[5]王廣林，马瑾.浅谈超光滑表面加工技术[J].山东工业技术，2018（12）：12.

[6]LEE B，KIM S，CHOI D.Beam shaping by the use of plasmonics[J].The International Society for Optical Engineering，2010（10）：5-13.

[7]沙春芳，李衡，杨潇，等.金属纳米结构的表面等离子体激元提高有机太阳能电池光电转换效率的研究进展[J].光电子技术，2013（4）：217-224.