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基于金属-介质-金属椭圆纳米盘阵列

的偏振无关双波段红外完美吸收材料

张炳新，^1,2赵燕辉，²郝庆珍，²基拉利，²赵雅民，³

陈淑芬，¹，黄东军^2，*

¹北京理工大学光电学院，北京100081

²宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系，宾夕法尼亚州大学公园，16802，美国

³宾夕法尼亚州立大学电气工程系，宾夕法尼亚州大学公园，16802，美国*junhuang@engr.psu.edu公司

文摘：我们在近红外波段设计和制造了一种双波段等离子体吸收器，在薄介质和金属膜的顶部采用由椭圆纳米盘阵列组成的三层结构。有限差分时域（FDTD）模拟表明，在正常入射条件下，两种共振频率的吸收效率都可以达到99%以上，并且通过改变三层椭圆纳米盘阵列的尺寸，将共振频率的可调谐范围建模为700纳米。我们的二维纳米盘阵列的对称性消除了结构内部的任何偏振依赖性，接近完美的吸收效率仅受到高达50度的大入射角的轻微影响。实验测量结果与模拟结果吻合较好。

copy;2011美国光学学会

OCIS代码：（50.6624）亚波长结构；（250.5403）等离子体；（300.1030）吸收；（160.3918）超材料

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1. 介绍

等离子体纳米结构中的光吸收最近吸引了研究界的极大兴趣，用于太阳能电池[1–3]、超材料[4–8]、光电探测器[9,10]、传感器[11–14]、纳米成像设备[15–19]和热发射器[20,21]。利用最先进的纳米制造技术[22–25]提出了具有增强吸收的各种纳米结构。Kravets等人使用复合光栅纳米结构研究了等离子体黑体中的高效吸收[26]。在大范围波长和入射角下观察到结构中几乎完全吸收；然而，一维难熔金属涂层的光学性质与极化有很大的依赖性。在这项工作之后，Kravets等人介绍了另一种设计，该设计包括在Al2O3介电基体中嵌入银纳米粒子[27]；由纳米粒子散射的光被捕获在介电基体中，显示出在单位附近的有效吸收。NA等人将设计概念从单层结构扩展到多层结构，并提出了红外范围内的传感应用设计[12]。他们通过实验和计算证明了在红外波长范围内工作的金属-电介质-金属结构中几乎为零的反射。尽管上述设计表现出良好的吸收效率，但它们受到诸如工作范围相对较窄、缺乏可重构性或强极化依赖性等问题的限制。增加等离子体吸收器工作范围的一个简单方法是通过在结构中加入一个功能层，将另一个吸收带引入光谱中[28,29]。然而，复杂的设计和制造迄今为止限制了这种方法的广泛应用。

本文设计并制作了一种带位置可重构的双频理想等离子体吸收器。与其他等离子体吸收器相比，我们的设计具有多种优点：工作范围宽、入射角不敏感、可重构性简单、偏振无关和易于制造。我们相信这样的设计将增强等离子体吸收器的功能性，并在传感器、太阳能电池和超材料等许多应用中有价值。

图1。（a）双波段完美吸收结构和入射极化配置示意图。（b）设计结构的扫描电镜图像。

2. 结构设计

我们的双波段吸收器的示意图和扫描电镜图像如图1所示。近完美吸收的物理起源是金属介质金属结构中电、磁偶极子共振的局部化。双波段吸收是利用椭圆纳米盘实现的，椭圆纳米盘具有两个与其长轴和短轴相关的共振峰[30,31]。我们通过仔细地将椭圆纳米盘安排在二维对称结构中消除了极化亲和力。如图1所示，我们的结构由三个功能层组成，其中一个介电层夹在两个金属层之间。顶部金属层是一个20纳米厚的椭圆金纳米盘阵列，其中a表示

每个纳米盘的短椭圆轴，b代表纳米盘长轴的长度，d代表沿x和y方向的周期。设计参数（A、B和D）可以选择性地调整，以证明对结构光学特性的控制。中心间隔层在组成材料和金属覆层之间提供了很大的阻抗失配。这里，介电常数相对较低的介电材料，如SiO2、MgF2或其他聚合物材料，是高吸收的理想候选材料[32,33]。对于实际的制造工艺，我们选择SiO2作为间隔层来验证我们的设计。图1（b）显示了我们的结构的扫描电镜图像。我们可以看到纳米圆盘的图案在x和y方向上显示出良好的均匀性。介电层的厚度是至关重要的，因为它影响偶极共振；随着厚度的增加，共振效应减小，总吸收效率降低。我们优化了30纳米厚SiO2层和150纳米金底部功能层的完美吸收体的性能。这一厚度大于电磁波在红外波段的穿透深度，将阻挡任何通过前两层的入射光，导致双波段吸收器工作范围内几乎为零的透射。厚金镜的另一个功能是与上层纳米盘相互作用，形成电偶极子和磁偶极子，将入射的电磁能耦合到结构内部。因此，获得接近完美的吸收（a=1–r–t）。<!--

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