基于纳米环图案化界面的紫外滤光结构及其设计方法

摘要

本发明涉及一种基于纳米环图案化界面的紫外滤光结构及其设计方法，该结构包括设于玻璃基底上的金属纳米孔阵列，金属纳米孔阵列包括若干基本单元；基本单元包括一个金属空气柱孔和一组金属纳米环；金属空气柱孔穿透金属薄膜，金属纳米环组位于玻璃基底界面上方，由若干个同心的金属纳米环组成；金属空气柱孔和金属纳米环组同轴。本发明有效解决了制备在玻璃基底上的纳米圆孔阵列在紫外波段一个阵列周期对应两个透射峰的问题，灵活度高；并且可使纳米圆孔阵列在200‑400nm波段获得超过50%的峰值透射率，解决了纳米圆孔阵列在紫外波段透射率低的问题。

说明书

技术领域

本发明属于光学微纳结构设计和光学微纳结构与光电探测器集成领域，具体涉及一种基于纳米环图案化界面的紫外滤光结构及其设计方法。

背景技术

传统的紫外滤光结构是高低折射率介质在基底上交替堆积形成的多层膜，其选择性透射的原理是特定波长的光在特定厚度的多层介质膜中传播时产生干涉相长，其余波长的光通过多层膜吸收进行截止。基于上述原理设计制作的多层膜紫外滤光结构具有两个特点：

1、对膜层厚度非常敏感，不同膜层厚度对应不同的透射中心波长，虽然可通过改变膜层厚度来调整紫外滤光结构的透射中心波长，但是一旦确定了膜层厚度，多层膜的透射中心波长也随之确定，无法在一个膜层厚度下获得多个透射中心波长；

2、截止带宽较窄，截止波段通常只覆盖可见光波段，即400-800nm。较窄的截止带宽使得在需要截止可见-近红外波段的硅基紫外探测应用中，多层膜紫外滤光结构还需要额外叠加近红外截止滤光片，这将导致透射的光能量降低。因此，多层膜紫外滤光结构的这两个特点严重限制了其在硅紫外探测器中的应用，也不利于制作小型化的紫外探测系统。

光学厚度的金属薄膜上被刻蚀了周期排列的、穿透薄膜的纳米孔阵列时，该薄膜表面可以被激发表面等离子共振模式，从而产生选择性透射现象。金属的纳米孔阵列被激发的表面等离子共振模式和金属材料的特性有关。Al的纳米孔阵列可在200-400nm紫外波段被激发表面等离子共振模式，因此可作为紫外滤光结构使用。相比传统多层膜紫外滤光结构，Al纳米孔阵列紫外滤光结构是通过调整阵列周期来改变透射中心波长的，因此可在同一光学厚度的Al薄膜上刻蚀不同周期的纳米孔阵列，以获得多个透射中心波长。同时，基于金属本征特性， Al纳米孔阵列紫外滤光结构在较长波长的400-1000nm可见-近红外波段具有高的反射率，非常容易实现宽的截止带宽，可不结合近红外截止滤光片而直接应用于硅紫外探测器。这种基于表面等离子共振原理设计的Al纳米孔阵列紫外滤光结构具有体积小、易集成的特点，在向着微型化发展的硅基紫外探测系统中崭露头角。

Al纳米孔阵列虽可用作紫外滤光结构，但由于制备在常用玻璃基底上时其两侧介质的折射率不同，导致一个阵列周期通常对应两个透射峰：与Al-空气界面相关的透射主峰和与Al-玻璃基底界面相关的透射次峰。透射次峰的存在一定程度上会降低截止带宽，并影响窄紫外波段如240-280nm日盲紫外波段的应用，因此，消除透射次峰、获取单透射峰具有重要应用价值。

目前，Al纳米孔阵列用作可见-近红外波段滤光结构时，通常通过在其上沉积一层折射率和玻璃基底相同或者相近的介质层来匹配折射率以获得单透射峰。然而，大多数介质在紫外波段存在吸收，导致折射率匹配方法获取的单透射峰峰值透射率较低，仅20％左右。有研究者设计了Al纳米孔的波导阵列紫外滤光结构，利用金属波导截止原理获取了紫外波段的单透射峰，290nm处透射率27％，截止波段375-1000nm；还有研究者将Al纳米孔阵列制备在多晶硅基底上，利用硅的高折射率获取紫外波段的单透射峰，276nm处透射率21％，截止波段 370-1000nm。这些研究表明，Al纳米孔阵列在紫外波段获取单透射峰以及高透射率的方法是研究热点，但截至目前取得的进展还比较有限。

发明内容

针对目前纳米孔阵列作为紫外滤光结构时面临存在透射次峰、透射率低的问题，本发明提供了一种基于纳米环图案化界面的紫外滤光结构及其设计方法。

该结构是在制备于玻璃基底上的Al纳米圆孔阵列的平坦Al-玻璃基底界面上对阵列中的每个圆孔引入Al纳米圆环，形成Al-玻璃基底界面被Al纳米圆环图案化的紫外滤光结构。该结构可以实现200-400nm紫外波段的单峰透射且透射率超过50％，以及400-1000nm可见-近红外波段宽带截止，不仅解决了玻璃基底上Al纳米孔阵列紫外滤光结构的单透射峰获取问题，而且还提供了高的透射率，满足硅紫外探测器对紫外滤光元件高透射率的需求。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于纳米图案化界面的紫外滤光结构，包括设于玻璃基底上的金属纳米孔阵列，金属纳米孔阵列包括若干基本单元；

基本单元包括一个金属空气柱孔和一组纳米环；金属空气柱孔穿透位于玻璃基底上的金属薄膜，纳米环组位于玻璃基底界面上方，由若干个同心的纳米环组成；金属空气柱孔和纳米环组同轴。

进一步地，若干基本单元以三角密排方式周期排列形成纳米孔阵列，阵列周期为T。

进一步地，纳米环组包括第一纳米环和第二纳米环；第一纳米环设于空气圆柱孔外侧，第二纳米环设于第一纳米环外侧，与第一纳米环之间有一定距离。

进一步地，金属纳米环为Al纳米环或除了Al之外的其他金属纳米环，环的形状为圆形或除了圆形的其它形状。

进一步地，所述结构在200-400nm紫外波段下的单峰透射，且透射率超过 50％，使得400-1000nm可见-近红外波段宽带截止。

本发明还涉及的一种紫外滤光结构设计方法，包括如下步骤：

步骤(1)利用金属周期纳米孔阵列表面等离子共振公式计算透射主峰目标波长λ

步骤(2)利用纳米环等离子共振公式计算纳米环组上被激发接近目标波长λ

步骤(3)根据环宽度C

步骤(4)根据纳米环组有效周长L

步骤(5)根据纳米环组最内环特征几何长度确定空气柱的特征几何长度；

步骤(6)计算空气柱孔深度；

为保证获取高透射率，计算空气柱孔深度；

步骤(7)以(1)-(6)中给出的参数为初始值，建立所述滤光结构仿真模型，并对参数进行微调，以确定结构的各尺寸参数值。

进一步地，步骤(1)中，所述目标波长λ

进一步地，步骤(3)中，所述环宽度C

进一步地，步骤(4)中，纳米环组为Al纳米圆环组，有效周长计算公式为 L

进一步地，步骤(5)中，纳米环组为Al纳米圆环组，Al空气柱孔为Al空气圆柱孔，Al纳米圆环组特征几何尺寸为最内环内直径d，且和Al空气圆柱孔直径D的关系需满足D≤d；

步骤(6)中，C

与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：

(1)本发明所述紫外滤光结构利用Al纳米圆环图案化平坦Al-玻璃基底界面，消除了透射次峰，有效解决了制备在玻璃基底上的Al纳米圆孔阵列在紫外波段一个阵列周期对应两个透射峰的问题。

(2)本发明所述紫外滤光结构尺寸参数可根据目标透射中心波长，使用本发明所述设计方法进行设计，灵活度高；并且可使Al纳米圆孔阵列在200-400nm 波段获得超过50％的峰值透射率，解决了Al纳米圆孔阵列在紫外波段透射率低的问题。

(3)本发明所述紫外滤光结构提供了500-1000nm可见-近红外超过80％的高反射率，集成于基于“紫外滤光结构+紫外-可见光转换膜+硅光电探测器”技术路线的硅基紫外探测器时可将转换膜后向发射的可见光反射为前向发射；相比多层膜结构对可见光的吸收，本发明所述紫外滤光结构可见光波段的高反射率特性可大大提升转换膜的可见光能量利用率。

(4)所述设计方法中尺寸参数之间关系的适用波段范围可由紫外200-400nm 波段扩展至可见-近红外400-1000nm波段；因此，本发明所述紫外滤光结构及其设计方法可被扩展地应用于设计其他波段具有单透射峰、高透射率的滤光结构。

附图说明

图1为实施例1中设计的Al-玻璃基底界面被Al纳米圆环图案化的位于玻璃基底上的Al纳米圆孔阵列紫外滤光结构的鸟瞰图和相关参数

图2为实施例1中阵列基本单元结构的三维剖面示意图和相关参数，其中环和孔的尺寸被不等比例放大以方便展示。

图3为实施例1中设计的Al-玻璃基底界面被Al纳米圆环图案化的Al纳米圆孔阵列紫外滤光结构和相同阵列参数下Al-玻璃基底界面未被图案化的Al纳米圆孔阵列的仿真透射光谱对比图。

图4为实施例1中设计的Al-玻璃基底界面被Al纳米圆环图案化的Al纳米圆孔阵列紫外滤光结构和相同阵列参数下Al-玻璃基底界面未被图案化的Al纳米圆孔阵列的仿真反射光谱对比图。

图5为实施例1中设计的紫外滤光结构集成于基于“紫外滤光结构+紫外-可见光转换膜+硅光电探测器”技术路线的硅基紫外探测器的示意图及主要的光能量路径。

图6为本发明所述紫外滤光结构设计方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本申请实施例中使用的技术术语或者科学术语应当为所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。“上”、“下”、“左”、“右”、“横”以及“竖”等仅用于相对于附图中的部件的方位而言的，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中的部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。

实施例1

本实施例的基于纳米环图案化界面的紫外滤光结构，针对玻璃基底上的Al 纳米圆孔阵列结构，设计了Al纳米圆环来图案化Al-玻璃基底界面，目的是获得200-400nm波段具有单透射峰、高透射率的Al纳米圆孔阵列紫外滤光结构，设计结构如图1、2所示。

其中，基本单元结构包含一个Al空气圆柱孔和一组Al纳米圆环。Al空气圆柱孔位于Al薄膜中并穿透Al薄膜，其深度为h(即Al薄膜厚度)，直径为D。Al纳米圆环组位于Al-玻璃基底界面，由N个同心的Al纳米圆环组成；Al纳米圆环宽度C

本发明中所述紫外滤光结构获取单透射峰、高透射率的原理是用Al纳米圆环共振器上被激发的等离子共振模式代替造成透射次峰的、在平坦的Al-玻璃基底界面上被激发的表面等离子共振模式，并且使Al纳米圆环共振器的共振波长接近造成透射主峰的、在Al-空气界面上被激发的表面等离子共振模式的共振波长，以获取200-400nm波段的单透射峰，同时减小纳米圆孔的深度，以获取单透射峰峰值透射率超过50％的高透射率。

本实施例中：

(1)利用金属周期纳米孔阵列表面等离子共振公式计算透射主峰目标波长λ

所述目标波长λ

(2)利用金属纳米圆环等离子共振公式计算Al纳米圆环组上被激发接近目标波长λ

为保证获取单透射峰，所述接近目标波长λ

(3)根据环宽度C

为保证环宽度相对工作波段时具有纳米环特性，所述环宽度C

(4)由Al纳米圆环组有效周长L

所述Al纳米圆环组有效周长计算公式为L

(5)根据Al纳米圆环组最内环内直径d和空气圆柱孔直径D的关系确定空气圆柱孔的直径D最大值；

为保证Al纳米圆环图案化Al-玻璃基底界面而不是空气-玻璃基底界面，Al 纳米圆环组最内环内直径d和空气圆柱孔直径D的关系需满足D≤d。

(6)分别根据C

为保证获取单透射峰，所述C

(7)以(1)-(6)中给出的参数为初始值，建立所述滤光结构仿真模型，并对参数进行微调，以确定结构的各尺寸参数值；

根据仿真调参经验，C

如图6所示，以200-400nm波段，单透射峰峰值波长250nm为例，结构参数的具体设计过程如下：

(1)利用金属周期纳米孔阵列表面等离子共振公式计算透射主峰目标波长λ

此处，n

(2)利用金属纳米圆环等离子共振公式计算Al纳米圆环组上被激发接近目标波长λ

此处，m为正整数，取值为3；n

(3)根据环宽度C

环宽度C

(4)由Al纳米圆环组有效周长L

设计方法给出所述Al纳米圆环组有效周长计算公式为：

L

L

(5)根据Al纳米圆环组最内环内直径d和空气圆柱孔直径D的关系确定空气圆柱孔的直径D最大值：

因为Al纳米圆环组最内环内直径d和空气圆柱孔直径D的关系满足D≤d以保证Al纳米圆环图案化Al-玻璃基底界面而不是空气-玻璃基底界面，因此空气圆柱孔直径最大值D＝128nm。

(6)分别根据C

C

(7)以(1)-(6)中给出的参数为初始值，建立滤光结构的仿真模型，并根据仿真结果对参数进行微调，以确定结构的各尺寸参数值：

根据(1)-(6)所确定的参数，利用时域有限差分方法(FDTD)对所述滤光结构进行仿真建模，仿真基本单元x、y方向以周期边界条件进行拓展实现阵列分布，x方向周期为T＝214nm，y方向周期为

根据仿真所得透射率光谱，调整周期为T＝210nm，即x方向周期调整为 T＝210nm，y方向周期为

微调参数后，设计的Al纳米圆孔阵列获得了250nm处透射率50％的单透射峰，如图3所示。相比直接制备在玻璃基底上的相同尺寸参数的Al纳米圆孔阵列，本发明的Al纳米圆孔阵列紫外滤光结构消除了330nm处的透射次峰；相比前人报道中的Al纳米孔阵列紫外滤光结构，本发明的Al纳米圆孔阵列紫外滤光结构给出了单透射峰下最高的透射率50％。

微调参数后，设计的Al纳米圆孔阵列获得了400-1000nm可见-近红外宽波段高反射宽带截止效果，如图4所示。相比传统多层膜结构紫外滤光片的窄带吸收截止，设计的紫外滤光片宽带高反射截止效果应用于基于“紫外滤光结构+紫外 -可见光转换膜+硅光电探测器”技术路线的硅基紫外探测器时，不仅无需近红外截止滤光片，而且还可将紫外-可见光转换膜发射的后向可见光反射，转换为前向，从而大大提高探测器的探测效率，如图5所示。

本实施例的紫外滤光结构及其设计方法可进行扩展：所述紫外滤光结构中的空气圆柱孔和Al纳米圆环的圆形形状可扩展为其他形状，如方形、三角行、菱形等；空气柱和纳米环的形状可以保持一致也可以不同，如空气圆柱孔和方形纳米环组成基本单元；所述紫外滤光结构中的金属膜材料Al可扩展为其他金属材料，如银(Ag)；所述紫外滤光结构中的金属纳米环材料Al可扩展为其他可以在200-400nm产生等离子共振现象的材料，如Ag，金(Au)，硅(Si)等；基底材料玻璃可扩展为其他常用紫外窗口材料，如氟化锂(LiF)、氟化镁(MgF

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。