长波红外高透射率二维光子晶体设计及应用研究

王 朝,张 轶,王 晗,安泽琳,王 超,王如志

(1.北京工业大学材料与制造学部,新能源材料与技术研究所,新型功能材料教育部重点实验室,北京 100124;2.华北光电技术研究所,北京100015)

1 引 言

在红外探测方面,红外光的透过率对红外探测器性能其决定性作用,如何提高红外探测器上光子的吸收率是目前红外探测技术发展的一个重点[1-3]。传统上提高光学元件透射率的方式是在光学元件表面上覆盖一层甚至多层减反膜来增加光的透射率,从而达到抑制反射损耗提高光学元件的透射率[4-6]。但由于增透减反膜与涂层材料存在物理化学性质的限制,存在粘附性、热失配和稳定性不足等问题[7],如何降低光学元件的反射率提高光的透射率,具有非常重要的研究价值和科学意义。

光子晶体是在光学表面直接加工微纳结构[8],从而达到增透性能,该方式能够具有更好的稳定性和耐久性,并且具有更多的可协调参数例如特征高度、几何形状和阵列周期等,具有更优秀的灵活性,并且能够在宽光谱大角度范围内实现增透,具有超强亲水性和自清洁能力[9,10]。经历了30多年的发展光子晶体被认为是一种非常有效的增透结构,通过刻蚀得到的周期性阵列结构可以实现在一定波段的增透效果[11,12]。光子晶体的设计来源期初来源于仿生学,1962年,C.G.Bernhard与W.H.Mille等人发现一些昆虫的复眼结构具有增透性质[13],1973年W.H.Mille团队成功制作出类似于蛾眼的类光子晶体结构[14],发现该结构能有效的增强透射光,随后人们对光子晶体微结构进行了不断拓展与深入研究[15]。2017年,张东亮等人设计了陷光型光子晶体,使得碲镉汞探测器量子效率提升了近20 %[16]。2019年,李岩等人设计了双周期嵌套微结构在2.4～12 μm的超宽波长范围内透射率均高于96.5 %,在中长波实用波段范围内平均透射率高于99 %[17]。2021年,林晓敏等人设计了单层金属线栅结构,实现了在中波红外3～5 μm波段的透射率为89.1 %,同年杨勇等人设计了一种新型苞状蛾眼光子晶体结构,实现了在3～12 μm波段的透射率高达99.8 %[18]。可惜的是目前光子晶体结构复杂,制备难度高;一些复杂的光子晶体设想来源于仿生学,对设计新型光学晶体借鉴性低。

基于此,本文探究了以ZnS材料为研究对象的几种常见几何结构,如长方体、圆柱、六棱柱和金字塔在红外波段8～10 μm的透射率,并探究了其尺寸变化对透射率的影响。设计了一种金字塔阵列结构,金字塔单元与相邻金字塔单元间隙在一定范围内,平均光透射率在98 %以上,最后探究了不同HgCdTe厚度和不同温度环境下对ZnS光子晶体透射率的影响。本文将为设计光子晶体和光学器件设计提供一定的借鉴意义。

2 光子晶体增透率计算原理与模型构建

2.1 光子晶体增透率计算原理

本文光子晶体仿真使用了时域有限差分法(FDTD)[19],从麦克斯韦方程出发并借助吸收边界条件,在有限的区域内模拟求解空间的电磁场问题。从麦克斯韦方程组中两个旋度方程出发:

(1)

(2)

当介质为各向同性时,用σm表示等效磁阻率,则:

(3)

此时,麦克斯韦旋度方程可以在直角坐标系中展开为:

(4)

(5)

对式(4)和式(5)这两组方程进行差值离散,对电磁场的各分量的空间节点和时间步按约定取值,并采用平均值近似,即可求解所有电场和磁场分量关于时间和空间的差分形式。

2.2 光子晶体仿真模型构建

在光学元件表面制备周期性光子晶体并对其进行数值计算,所建立的单元微结构尺寸相同,当一束平行光入射至光学元件表面时,各微结构所发生的光学效应完全一致,因此提出对单一微结构分析以反应出元件整体的性质。本文采用的光子晶体模型如图1所示(以正方体光子晶体结构为例),设定X和Y方向周期性(Periodic),将设计光子晶体阵列问题转化为仿真单个光子晶体元件。仿真区域的各种结构如图1中的标注所示,包括仿真区域、光源、光子晶体、基底材料和监视器。

图1 光子晶体仿真模型示意图

仿真参数设定如表1所示,监视器在光子晶体与基底材料界面向下0.01 μm处,用于测量光子晶体透射率。其他参数在具体仿真部分再讨论。

表1 仿真环境设定

本文对ZnS光子晶体进行模拟仿真,其介电常数n= 2.35。探索了几种常见几何形状的光子晶体,设计了一种透射率的光子晶体阵列结构,最后探究了基底材料HgCdTe厚度和低温环境77 K对光子晶体增透效率的影响。探索的光子晶体结构参数如表2所示。

表2 研究的光子晶体材料和结构尺寸

3 ZnS光子晶体增透率仿真

本节中,探究了几种常见几何形状的ZnS光子晶体在红外长波8～10 μm波段对基底材料HgCdTe的增透作用,HgCdTe衬底厚度为10 μm。

3.1 ZnS长方体光子晶体透射率仿真

ZnS长方体长和宽为4 μm,设置X和Y方向为周期边界,周期为4 μm,即对于长方体光子晶体增透仿真等同于单层ZnS薄膜。ZnS的仿真高度变化范围为1～10 μm,步长为1 μm。ZnS长方体高度的平均透射率的仿真结果如图2所示。ZnS长方体光子晶体厚度为1 μm时透射率最高,最高平均透射率为92.8 %。随着长方体厚度增加,透射率出现波动变化,这是由于光在薄膜上发生干涉现象,随着薄膜厚度增加,光在相干加强和相干削弱之间变化的结果。

图2 仿真模型及光子晶体厚度对平均透射率的影响

3.2 ZnS圆柱体光子晶体透射率仿真

ZnS圆柱体直径为4 μm,周期范围4 μm,相比与长方体结构每个圆柱单元之间有一定的间隙。ZnS圆柱体的仿真高度变化范围为1～10 μm,步长为1 μm,ZnS圆柱体仿真结构如图3(a)所示。圆柱体的透射率仿真结果如图3(b)所示,其中ZnS圆柱体高度为1 μm时平均透射率最高,最高平均透射率为95.8 %。相比与正方体结构,ZnS圆柱体之间的间隙结构可以产生一定的光陷阱效应,减少对光的反射,增加透射率。

图3 仿真模型及光子晶体高度对平均透射率的影响

3.3 ZnS六棱柱体光子晶体透射率仿真

ZnS六棱柱体边长为2 μm,周期范围4 μm。ZnS六棱柱体仿真结构如图4(a)所示,相比与直径为4 μm圆柱体结构面积略小,每个六棱柱单元之间间隙略大一些,六棱柱相对于圆柱体的俯视图如图4(a)右上角插图所示。ZnS六棱柱体的仿真高度变化范围为1～10 μm,步长为1μm。六棱柱体的平均透射率仿真结果如图4(b)所示,ZnS六棱柱体高度为1 μm时平均透射率最高,最高平均透射率为95.3 %。与圆柱体相比,六棱柱体的透射率整体略低一些。

图4 仿真模型及光子晶体高度对平均透射率的影响

3.4 ZnS金字塔结构光子晶体透射率仿真

金字塔结构是最常见的光陷阱结构,该结构有较好的增透性,在太阳能电池中有广泛应用。ZnS金字塔底边边长为4 μm,周期范围4 μm。ZnS金字塔仿真结构如图5(a)所示,ZnS金字塔的仿真高度变化范围为1～10 μm,步长为1 μm。ZnS金字塔结构的平均透射率仿真结果如图5(b)所示,ZnS金字塔高度为3 μm时平均透射率最高,最高平均透射率为98.4 %。与长方体、圆柱体和六棱柱体相比,金字塔结构的最佳平均透射率高于其他光子晶体结构。这是由于金字塔结构能多次反射入射光,减少光逃逸出表面的几率。如果金字塔高度太低,反射光不能反射到相邻的金字塔上;金字塔高度太高存在光吸收和光干涉等问题。

图5 仿真模型及光子晶体高度对平均透射率的影响

3.5 ZnS金字塔阵列结构光子晶体透射率仿真

通过探究发现ZnS金字塔光子晶体的透射率最好。最后我们探究了ZnS金字塔阵列的增透效果。在ZnS金字塔列阵中,ZnS金字塔结构选取上述探索中透射率最高的结构单元,底边边长为4 μm,高为3 μm。周期范围从4 μm逐渐增加到5 μm,步长为0.1 μm。ZnS金字塔阵列的仿真结构如图6(a)所示,图中的插图表示周期边界的变化情况。ZnS金字塔阵列结构的平均透射率仿真结果如图6(b)所示,当金字塔之间的间隙为0.1 μm时,平均透射率最大,最大平均透射率为98.45 %。另外金字塔阵列间隙在0～0.5 μm时,平均透射率均在98 %以上,表明在制备该结构阵列时可以适当调节金字塔结构单元之间的间隙,实现工艺上制作方便。当金字塔单元之间的间隙大于0.5 μm时,平均透射率逐渐降低,这是由于金字塔之间距离增大导致对二次反射光的捕获能力减弱。存在一定间隙的阵列结构在微加工技术上更容易制作,该阵列设计为实验上光子晶体增透设计提供了一定的借鉴作用。

图6 光子晶体阵列模型及阵列间距对平均透射率的影响

4 基底材料HgCdTe厚度和低温环境对光子晶体增透效率的影响

本节探究了基底材料HgCdTe厚度和低温环境0K对光子晶体的增透效率的影响。

4.1 基底材料HgCdTe厚度对光子晶体透射率仿真

由于衬底材料HgCdTe的上下表面都会反射光,则HgCdTe厚度对光子晶体的增透效果存在一定影响,探究该问题对HgCdTe材料实际应用有一定促进作用。借助于3.5节ZnS金字塔形状的光子晶体模型,金字塔高度为3 μm。HgCdTe材料仿真厚度变化范围为1～10 μm,步长为1 μm,如图7(a)所示。ZnS金字塔形状的光子晶体的平均透射率的仿真结果如图7(b)所示,随着HgCdTe材料厚度增加,ZnS光子晶体的增透效果呈现曲折上升。当HgCdTe材料厚度大于6 μm时,ZnS金字塔形状的光子晶体的平均透射率在90 %以上。这是由于随着HgCdTe材料厚度增加,则HgCdTe对光的吸收率增加,导致HgCdTe对光的反射率减少。

图7 HgCdTe材料厚度变化及对光子晶体透射率的影响

4.2 低温环境对光子晶体增透效率的影响

温度影响材料的介电常数,从而影响微纳结构中光子晶体的透射率。低温是HgCdTe材料常见的工作温度,本文借助于第一性原理方法计算的HgCdTe在0 K下的介电常数[20],探究温度对光子晶体的增透效果。借助于3.5节ZnS金字塔形状的光子晶体模型,金字塔高度为3 μm,常温300 K和0 K时光子晶体的透过率如图8所示,两种温度下光子晶体的透过率趋势一致;相比与300 K,0K温度下光子晶体的透过率略低。在实际工作温度下,光子晶体的增透效果可能位于两者这间。

图8 300 K和0 K温度下光子晶体的透射率对比图

5 结 论

本文探索了ZnS长方体、圆柱体、六棱柱体和金字塔二维光子晶体结构在8～10 μm红外光的增透效果,最后探索了金字塔阵列之间的间隙对透射率的影响。结果表明,在X和Y平面周期条件约束下,本文所研究的ZnS长方体、圆柱体和六棱柱高度为1 μm时,平均透射率最大。相比与长方体结构,圆柱体和六棱柱体单元结构之间存在一定空隙,存在一定的光陷阱效应,具有更高的透射率。ZnS金字塔高度为3 μm时,平均透射率为98.4 %,基于该结果进一步探索了金字塔阵列之间间隙距离对透射率的影响。研究表明金字塔之间的间隙在0～0.5 μm内平均透射率均在98 %以上。最后探究了基底材料HgCdTe厚度和低温环境0 K对光子晶体的增透效率的影响,研究发现,HgCdTe材料厚度增加时,ZnS光子晶体增透效果曲折增加;相比与常温300 K,0 K温度下光子晶体的透射率下降3 %。本文的探索为设计光子晶体增透膜和工艺上制备提供了一定的借鉴意义。