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Al纳米孔阵列/(AlxGa1–x)2O3薄膜中的紫外波段超常透射

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朱文慧, 冯磊, 张克雄, 朱俊. Al纳米孔阵列/(AlxGa1–x)2O3薄膜中的紫外波段超常透射[J]. 物理学报, 2024, 73(20): 207801-1. doi: 10.7498/aps.73.20240928
引用本文: 朱文慧, 冯磊, 张克雄, 朱俊. Al纳米孔阵列/(AlxGa1–x)2O3薄膜中的紫外波段超常透射[J]. 物理学报, 2024, 73(20): 207801-1. doi: 10.7498/aps.73.20240928
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Wen-Hui Zhu, Lei Feng, Ke-Xiong Zhang, Jun Zhu. Extraordinary transmission in ultraviolet band in (AlxGa1–x)2O3/Al nanopore array[J]. Acta Physica Sinica, 2024, 73(20): 207801-1. doi: 10.7498/aps.73.20240928
Citation: Wen-Hui Zhu, Lei Feng, Ke-Xiong Zhang, Jun Zhu. Extraordinary transmission in ultraviolet band in (AlxGa1–x)2O3/Al nanopore array[J]. Acta Physica Sinica, 2024, 73(20): 207801-1. doi: 10.7498/aps.73.20240928
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Al纳米孔阵列/(AlxGa1–x)2O3薄膜中的紫外波段超常透射

  • 1.

    内蒙古大学物理科学与技术学院, 呼和浩特　010021

  • 2.

    大连理工大学集成电路学院, 大连　116620

    • 通讯作者: E-mail: jiulye@126.com.

  • 中图分类号: 78.67.Ty, 85.40.Cz, 78.47.Rb, 42.70.Qs

Extraordinary transmission in ultraviolet band in (AlxGa1–x)2O3/Al nanopore array

  • 1.

    School of Physical Science and Technology, Inner Mongolia University, Hohhot 010021, China

  • 2.

    School of Integrated Circuits, Dalian University of Technology, Dalian 116620, China

    • Corresponding author: E-mail: jiulye@126.com.

  • MSC: 78.67.Ty, 85.40.Cz, 78.47.Rb, 42.70.Qs

  • 摘要: 采用有限差分时域算法计算(AlxGa1–x)2O3薄膜衬底上的周期性三角晶格Al纳米孔阵列的透过率, 研究不同(AlxGa1–x)2O3衬底的Al组分x以及Al纳米孔阵列的厚度、孔径和周期对其光学传输特性的影响. 数值计算结果表明, 当x = 0时, 在263 nm和358 nm波长范围处出现两个强透射峰, 随着x的增大, 其中位于263 nm处的透射峰发生轻微蓝移, 强度则先增强后下降; 358 nm处的透射峰发生明显蓝移且不断加强. 若纳米孔阵列的周期不变, 随着空气柱孔径增大时, 紫外波段两强透射峰峰值位置分别位于244 nm和347 nm处, 两峰均先发生红移再蓝移, 透过率不断增大, 反射率减小. 随着周期扩大, 紫外波段两强透射峰分别位于249 nm和336 nm处, 两透射峰均发生明显红移, 其中249 nm处的透射峰红移至304 nm, 336 nm处的透射峰红移至417 nm, 并且透过率不断降低. 随着Al厚度的增大, 位于380 nm处的透射峰峰值位置发生蓝移, 且透过率不断下降. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00036中访问获取.
    Abstract: The finite difference time domain method is used to compute the transmissions of periodic triangular-lattice Al nanopore arrays on (AlxGa1–x)2O3 thin film substrates. The influences of Al component x in(AlxGa1–x)2O3 substrate, and the thickness, aperture and period of Al nanopore array on their optical transmission behaviors are studied systematically.The numerical results indicate that when x = 0, there are two strong transmission peaks at 263 nm and 358 nm, respectively. As x increases, the transmission peak at 263 nm exhibits a slight blue-shift, with intensity first increasing and then decreasing. Meanwhile, the transmission peak at 358 nm demonstrates a noticeable blue-shift and its intensity strengthens continuously. The change of Al component x has a significant effect on the peak position of the transmission peak in the longer ultraviolet band and the peak transmission in the shorter ultraviolet band. If the periodic structure of the nanopore array keeps unchangeable, the two prominent transmission peaks appear near 244 nm and 347 nm, respectively, as the air column apertures enlarge. Remarkably, these dual peaks initially undergo a red-shift, followed by a blue-shift, while the transmission steadily increases and the reflectivity decreases. The change in aperture size can significantly affect the peak transmission, and by controlling the aperture size appropriately, the transmission intensity can be significantly enhanced. With the expansion of the period, the two strong transmission peaks are located at 249 nm and 336 nm, respectively, and the two transmission peaks show obvious red-shift. The former transmission peak is redshifted to 304 nm, and the latter one is redshifted to 417 nm. Moreover, the transmissions at these peaks continue to decrease. The change in period can significantly affect the central wavelength of the transmission peak, and the periodicity of the array plays a dominant role in modulating the peak position in a large wavelength range. As Al thickness increases, a blue-shift of the transmission peak occurs at 380 nm , and the transmission decreases continuously. The change in thickness significantly affects the transmission intensity of the transmission peak in the longer ultraviolet band and the visible light region, but it is not so pronounced as the effect of aperture size on transmission intensity.Through reasonable design and optimization of structural parameters of Al nanopore array/(AlxGa1–x)2O3, the peak position of transmission peak can be effectively regulated and the extraordinary transmission in ultraviolet band can be achieved.
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  • 图 1  Al纳米孔阵列/(AlxGa1–x)2O3薄膜的结构示意图 (d为孔径, P为周期, H为Al厚度)

    Figure 1.  Schematic diagram of a Al nanopore array on a (AlxGa1–x)2O3 thin film, here, d is the aperture, P is the period and H is the thickness of Al.

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    图 2  当x = 0, 0.2, 0.3, 0.4, 1.0时, (AlxGa1–x)2O3的折射率n(λ)

    Figure 2.  Refractive index n(λ) of (AlxGa1–x)2O3 with x = 0, 0.2, 0.3, 0.4, 1.0.

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    图 3  当d = 120 nm, P = 200 nm, H = 50 nm　(a) Al纳米孔阵列/(AlxGa1–x)2O3薄膜的透射谱; (b) 平均透过率

    Figure 3.  Transmission spectrum (a) and average transmission (b) of a nanopore array/(AlxGa1–x)2O3 when d = 120 nm, P = 200 nm, H = 50 nm.

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    图 4  P = 200 nm, H = 50 nm, d从60 nm到160 nm改变时　(a) Al纳米孔阵列/ (Al0.3Ga0.7)2O3的透射谱; (b) 平均透过率

    Figure 4.  Transmission spectrum (a) and average transmission (b) of a Al nanopore array/(Al0.3Ga0.7)2O3 when P = 200 nm, H = 50 nm and d changes from 60 to 160 nm.

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    图 5  当d = 120 nm, H = 50 nm, P从180 nm到260 nm改变时　(a) Al纳米孔阵列/(Al0.3Ga0.7)2O3的透射谱; (b) 平均透过率

    Figure 5.  Transmission spectrum (a) and average transmission (b) of a Al nanopore array/(Al0.3Ga0.7)2O3 when d = 120 nm, H = 50 nm and P changes from 180 nm to 260 nm.

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    图 6  当d = 120 nm, P = 200 nm, H从20 nm到60 nm改变时　(a) (Al0.3Ga0.7)2O3/Al纳米孔阵列的透射谱; (b) 平均透过率

    Figure 6.  Transmission spectrum (a) and average transmission (b) of a Al nanopore array/(Al0.3Ga0.7)2O3 when d = 120 nm, P = 200 nm and H changes from 20 nm to 60 nm.

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    图 7  紫外波段透射峰中心波长λ1和λ2随结构参数x, d, P, H的变化　(a) 中心波长随Al组分x的演变规律; (b) 中心波长随孔径d的演变规律; (c) 中心波长随周期P的演变规律; (d) 中心波长随厚度H的演变规律

    Figure 7.  Changes of the peak position of the transmission peaks in the ultraviolet band with structural parameters x, d, P and H: (a) Evolution of peak position with Al component x; (b) evolution of peak position with aperture d; (c) evolution of peak position with period P; (d) evolution of peak position with thickness H.

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    图 8  紫外波段透射峰峰值处透过率T1和T2随结构参数x, d, P, H的变化　(a) 峰值处透过率随Al组分x的演变规律; (b) 峰值处透过率随孔径d的演变规律; (c) 峰值处透过率随周期P的演变规律; (d) 峰值处透过率随厚度H的演变规律

    Figure 8.  Changes of peak transmission in the ultraviolet band with structural parameters x, d, P and H: (a) Evolution of peak transmission with Al component x; (b) evolution of peak transmission with aperture d; (c) evolution of peak transmission with period P; (d) evolution of peak transmission with thickness H.

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出版历程
  • 收稿日期:  2024-07-05
  • 刊出日期:  2024-10-20

Al纳米孔阵列/(AlxGa1–x)2O3薄膜中的紫外波段超常透射

    通讯作者: E-mail: jiulye@126.com.
  • 1. 内蒙古大学物理科学与技术学院, 呼和浩特　010021
  • 2. 大连理工大学集成电路学院, 大连　116620
  • 收稿日期:  2024-07-05

摘要: 采用有限差分时域算法计算(AlxGa1–x)2O3薄膜衬底上的周期性三角晶格Al纳米孔阵列的透过率, 研究不同(AlxGa1–x)2O3衬底的Al组分x以及Al纳米孔阵列的厚度、孔径和周期对其光学传输特性的影响. 数值计算结果表明, 当x = 0时, 在263 nm和358 nm波长范围处出现两个强透射峰, 随着x的增大, 其中位于263 nm处的透射峰发生轻微蓝移, 强度则先增强后下降; 358 nm处的透射峰发生明显蓝移且不断加强. 若纳米孔阵列的周期不变, 随着空气柱孔径增大时, 紫外波段两强透射峰峰值位置分别位于244 nm和347 nm处, 两峰均先发生红移再蓝移, 透过率不断增大, 反射率减小. 随着周期扩大, 紫外波段两强透射峰分别位于249 nm和336 nm处, 两透射峰均发生明显红移, 其中249 nm处的透射峰红移至304 nm, 336 nm处的透射峰红移至417 nm, 并且透过率不断降低. 随着Al厚度的增大, 位于380 nm处的透射峰峰值位置发生蓝移, 且透过率不断下降. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00036中访问获取.

English Abstract

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    1.   引　言

    • 超常透射是指当入射光线穿过金属薄膜上的亚波长小孔时, 其透过率高于衍射理论的计算值的现象, 这一现象是Ebbesen等[1]在1998年研究金属薄膜亚波长孔阵列的光学透射特性时发现的. 超常光透射峰源于表面等离极化激元(surface plasmon polaritons, SPPs)和局域表面等离子体共振(localized surface plasmon resonances, LSPRs)之间的相互耦合[2]. SPPs在周期性结构中占据主导地位, 影响光与整个结构的耦合和透射, 而LSPRs则集中于单个结构的局部场增强效应. SPPs和LSPRs两者共同作用, 使得金属结构在特定波长下透过率超常增强, 成为纳米光子学和光学传感器设计中的重要原理. 超常透射现象虽然在各波段均有其应用, 但是近年来在可见光和近红外光波段[3–7]的相关研究较多, 对于紫外波段的研究相对较少, 因此发展潜力大.

      如何有效实现紫外波段超常透射是一直以来研究的重点. 已有很多研究表明, 设计具有亚波长特征尺寸的金属薄膜或阵列, 以及嵌入或沉积特定尺寸和形貌的金属纳米颗粒, 以激发SPPs或LSPRs, 从而提高紫外透过率[8]. 因此, 薄膜阵列结构的超常透射现象与薄膜厚度、孔的周期和直径等密切相关[9,10]. 例如, Ekinci等[11]通过制备大面积Al纳米孔阵列, 利用SPPs和LSPRs的耦合作用以及Al的高等离子体频率特性, 实现在紫外波段的超常透射, 通过调整纳米孔的大小和阵列的周 期性, 可以调节透射峰的位置. Hu等[12]通过调节二氧化硅衬底上周期性三角晶格Al纳米孔阵列 相关结构参数, 实现紫外波段的超常透射以及透 射峰位置的精细调节. Zhang等[13]通过金薄膜 周期性排列的复合三角形纳米孔阵列结构, 利用SPPs和LSPRs的耦合来实现透射增强. 综上, 设计复杂结构如金属纳米颗粒与纳米孔阵列, 通过 精确控制其结构参数, 可以实现对光的透射特性 的显著调控, 从而设计出具有特定透射特性的光学器件.

      除了结构优化之外, 在紫外波段利用SPPs和LSPRs耦合实现超常透射还涉及金属和衬底材料的选择. 由于Al的等离子体频率较高, Al在深紫外区域的介电常数实部较大, 虚部较小, 因此Al是深紫外区表面等离子体共振激发的良好材料[14]. Al暴露于空气时, 表面会自发形成2—3 nm的薄氧化层[15], 而且这层很薄的Al2O3层作为钝化和保护层将阻止Al被进一步氧化, 不会显著干扰Al纳米孔阵列对紫外光的响应.

      (AlxGa1–x)2O3材料具有高介电常数和击穿电场、高密度二维电子气以及较高的热稳定性和化学稳定性. 作为一种宽带隙半导体材料, (AlxGa1–x)2O3带隙宽度可以通过调整Al组分x来调节以适应特定的紫外波段应用. 较宽的带隙有助于减少在紫外波段的本征吸收, 从而允许更多的光透过衬底, 增强超常透射效应. 因此, (AlxGa1–x)2O3作为衬底对增强超常透射现象有明显优势, 对于实现大功率器件的高击穿电场和深紫外光电器件的截止波长或发射波长的调制, 以及在下一代高功率和射频电子器件中具有很大的应用前景[16–20].

      本文以紫外等离激元为中心, 采用有限差分时域算法, 设计Al纳米孔阵列/(AlxGa1–x)2O3薄膜结构, 通过改变(AlxGa1–x)2O3衬底上Al组分x的含量以及Al纳米孔阵列的厚度、孔径、周期, 对Al纳米孔阵列/(AlxGa1–x)2O3薄膜的透射现象进行理论研究, 揭示紫外波段的超常光透射机制.

    2.   计算模型

    • 图1给出(AlxGa1–x)2O3衬底上的周期性三角晶格Al纳米孔阵列的计算示意图. 周期性三角晶格阵列两轴向纳米孔周期一致. 在暴露于环境空气的Al表面上考虑2 nm的Al2O3层.

      为计算Al纳米孔阵列/(AlxGa1–x)2O3薄膜的透过率, 首先需要确定材料的折射率和消光系数, Al2O3参数的选取来自文献[21]. 关于Ga2O3材料参数选取, 以文献[22]中Ga2O3致密结构薄膜的光学参数为依据进行计算.

      有关(AlxGa1–x)2O3参数的计算, 常用的光学材料折射率柯西色散公式[23]为

      式中n(λ)为光学材料在波长λ时的折射率, A, B和C为材料折射率的柯西色散系数[24]. 不同Al组分(AlxGa1–x)2O3折射率随波长变化曲线如图2所示. 由文献[24]给出柯西色散系数分别为: 对于Al组分x = 0.2, 有A = 1.88275, B = 3.92524×103 nm2, C = 7.65346×108 nm4; 对于Al组分x = 0.3, 有A = 1.85664, B = 4.63855×103 nm2, C = 6.04614×108 nm4; 对于Al组分x = 0.4, 有A = 1.83052, B = 5.35186×103 nm2, C = 4.43832×108 nm4. 并且, 利用光学材料折射率柯西色散公式可以得到任意波段任意Al组分(AlxGa1–x)2O3的折射率. 由于Al2O3和Ga2O3消光系数非常小[25], 而(AlxGa1–x)2O3消光系数介于Al2O3和Ga2O3之间, 因此在计算中只采用了(AlxGa1–x)2O3的折射率而忽略了消光系数(即复折射率的虚部).

    3.   分析与讨论

      3.1.   Al组分变化对Al纳米孔阵列/(Alx Ga1–x)2O3薄膜的透射谱和平均透过率的影响

    • 对于平均透过率的计算, 本文采用简单的算术平均, 即将所有单个透过率值相加然后除以测量点的数量. 平均透过率计算公式为

      式中Ti表示第i个波长点的透过率, N是总的波长点数量.

      对于不同Al组分x的(AlxGa1–x)2O3薄膜衬底, 由图3(a)可知, 在紫外波段, Al纳米孔阵列均出现两个强透射峰. 由于上下界面影响, 金属纳米孔阵列结构中存在两种不同的SPPs模式, 紫外较短波段和紫外较长波段分别对应于空气-金属界面和(AlxGa1–x)2O3-金属界面, 两界面SPPs模式的共振波长不同, 因此在紫外波段出现两个透射峰[12]. 当x = 0(薄膜衬底为纯Ga2O3)时, 紫外波段两个强透射峰分别位于263 nm和358 nm处, 峰值处透过率分别为33.19%和18.46%. 随着Al组分 的增大, Al纳米孔阵列的一个透射峰集中在较 短的波长即263 nm附近. 当x从0到0.4变化时, 随着x的增大, Al纳米孔阵列透过率不断增大. 当 x = 1 (薄膜衬底为纯Al2O3)时, 透过率降低到40.45%. 在紫外较短波段, 峰值位置整体几乎没有发生改变. 另一透射峰集中在较长的波长即358 nm附近, 透过率不断增大, 峰值位置先略微红移, 后显著蓝移, 整体呈现蓝移趋势. 此外, 在可见光区域, Al纳米孔阵列有一个强透射峰且随着x增大, 透过率逐渐增大, 位置先略微红移, 后逐渐蓝移, 整体也呈现蓝移趋势. 在可见光区, 空气-金属界面和(AlxGa1–x)2O3-金属界面两种界面模式 的共振频率相近, 因此只能观察到1个透射峰. Al2O3的带隙大于Ga2O3, 意味着随着x的增大, 整个材料的带隙将向较高的能量(即短波长)移动. 这一变化影响了薄膜对特定波长光的吸收, 最初导致透射峰的红移, 因为较小的Al组分x可能使透射峰接近于Ga2O3的特性, 但随着x增大, 透射峰逐渐向短波长方向移动, 反映了整体带隙的蓝移趋势. 由图3(b)可知, 随着x的增大, 在紫外波段纳米孔阵列的平均透过率先增大, 后减小, 由x = 0时的21.04%增至x = 0.2时的28.18%. 此后, 紫外波段纳米孔阵列的平均透过率逐渐降低到x = 1时的24.63%. 在可见光区域平均透过率随x的增大变化不显著, 由x = 0时的7.79%小幅缓慢增至x = 1时的10.03%. 总的来说, Al组分的变化对纳米孔阵列的平均透过率影响不明显.

      • 3.2.   孔径变化对Al纳米孔阵列/(Al0.3Ga0.7)2 O3薄膜的透射谱和平均透过率的影响

    • 以Al组分为x = 0.3为例, 研究空气柱孔径变化对纳米孔阵列透过率的影响. 由图4(a)可知, 紫外波段出现了两个强透射峰, 孔径d = 60 nm时, 其中一透射峰位于244 nm处, 随着d的增大, 透过率不断增大, 由6.28%显著增至59.47%, 峰值位置先红移, 后蓝移. 另外一个透射峰位于347 nm处, 随着d的增大, 透过率不断增大, 由2.27%显著增至51.33%, 峰值位置也是先红移, 后蓝移. Al表面有入射光照射时, 表面的自由电子会和入射光的光子互相作用, 在Al表面产生表面等离子体. 随着孔径的增大, 周期内空气孔所占面积增大, SPPs和LSPRs耦合增强使得透射峰强度明显增大[26]. 通常, 对于连续金属薄膜中的纳米孔阵列, SPPs和LSPRs不可分离[27]. SPPs, LSPRs的相互耦合以及非SPs透射, 共同为最终传输做出贡献, 透过率随孔径的增大而增大. 随着孔径的增大, 截止波长和尾部的红移(非SPs)最初起主导作用, 导致峰值位置的初始红移. 随后, 单个金属颗粒的LSPRs的蓝移起主导作用, 导致最终峰值位置的蓝移. 在可见光波段, 有一强透射峰, 随着d从60 nm到160 nm的改变, 透过率由0.88%显著增至46.24%, 透射峰位置逐渐红移. 由图4(b)可知, 随着d的不断增大, 纳米孔阵列在紫外波段和可见光区的平均透过率均显著增强. 其中, 在紫外波段的平均透过率由d = 60 nm时的2.11%显著增至d = 160 nm时的47.99%, 在可见光区域的平均透过率由d = 60 nm时的0.32%增至d = 160 nm时的25.66%. 由此可见, 孔径变化对纳米孔阵列紫外波段的平均透过率影响较为显著.

      • 3.3.   阵列周期变化对Al纳米孔阵列/ (Al0.3Ga0.7)2O3薄膜的透射谱和平均透过率的影响

    • 以Al组分为x = 0.3为例, 研究阵列周期变化对纳米孔阵列透过率的影响. 由图5(a)可知, 阵列P = 180 nm时, 在紫外波段, 出现了两个强透射峰, 其中一个透射峰位于249 nm处, 另一个透射峰位于336 nm处. 随着P的增大, 处于紫外较短波段透射峰位置从249 nm明显红移至304 nm, 处于紫外较长波段透射峰峰值位置从336 nm显著红移至416 nm, 两透射峰透过率均不断下降. 在可见光区域, 出现一个强透射峰, 随着P不断增大, 透射峰位置由423 nm显著红移至548 nm, 透过率也逐渐下降. 由图5(b)可知, 随着P不断增大, 纳米孔阵列在紫外波段与可见光区的平均透过率整体呈现降低趋势. 在紫外波段, 纳米孔阵列的平均透过率呈现非单调性变化趋势, P = 200 nm时, 平均透过率达到最大, 为27.94%, 此后, 随着P增大, 纳米孔阵列平均透过率逐渐降低至P = 260 nm时的14.97%. 在可见光区, 随着P的不断增大, 纳米孔阵列的平均透过率由P为180 nm时的12.96% 逐渐降低到P为260 nm时的5.70%.

      • 3.4.   Al纳米阵列厚度对Al纳米孔阵列/ (Al0.3Ga0.7)2O3薄膜的透射谱和平均透过率的影响

    • 以Al组分x = 0.3为例, 研究Al纳米孔阵列厚度H对透过率的影响. 由图6(a)可知, 紫外波段出现了两个强透射峰, H从20 nm到60 nm变化时, 278 nm处透射峰整体发生轻微红移, 380 nm处透射峰发生蓝移. 首先, 对于金属纳米结构, 其LSPRs的共振频率通常会随着金属结构在垂直于入射光的电场方向(即z方向)上的厚度增大而发生蓝移[28]. 其次, 紫外波段的两种透射峰的模式共振也会影响透射峰的位置. 当Al膜厚度小于或接近电磁场的趋肤深度[29] (约13 nm)时, 由于趋肤效应, 两种模式之间的相互耦合作用较强. 随着Al膜厚度的增大, 两种模式的相互作用减弱, 导致它们的峰值相互靠近, 即紫外较短波段透射峰模式发生红移, 而紫外较长波段透射峰模式发生蓝移. 因此, 随着H的增大, 对于紫外较短波段处透射峰, 其局域表面等离子体蓝移, 而两种模式的耦合引起红移, 后者的作用更大, 导致透射峰的红移很小; 对于紫外较长波段处透射峰, 随着H的增大, 不仅其局域表面等离子体发生蓝移, 而且紫外波段两种透射峰模式耦合导致蓝移. 随着H的增大, 较长波段即380 nm处的透射峰峰值处透过率变化倾向远大于较短波段即278 nm处的透射峰. 在可见光区域的强透射峰随着H不断增大, 透过率逐渐下降, 透射峰位置逐渐蓝移. 由图6(b)可知, 随着H的不断增大, 纳米孔阵列在紫外波段和可见光区域的平均透过率均不断降低. 在紫外波段, 纳米孔阵列的平均透过率由H = 20 nm时的38.63%降低到H = 60 nm时的24.50%. 在可见光区域, 纳米孔阵列的平均透过率由H = 20 nm时的26.83%降低到H = 60 nm时的5.67%.

      • 3.5.   紫外波段透射峰中心波长随结构参数的变化

    • 定义紫外波段两透射峰所在中心波长位置分别为λ1和λ2, 其中较短波段透射峰为λ1, 较长波段透射峰为λ2. 为揭示不同结构参数对紫外波段透射峰中心波长的影响, 图7分别给出了紫外波段两透射峰中心波长随结构参数x, d, P, H的变化. 由图7(a)可知, 随着Al组分x的增大, λ2随着x的增大先略微红移, 后显著蓝移, 整体呈现蓝移趋势. 由于表面等离子体的传播条件涉及周围介质的介电常数, 因此周围介质的折射率变化会导致共振波长的位移. λ2的改变主要源于(AlxGa1–x)2O3薄膜的折射率的改变. 对于紫外较短波段, 其波长较短, 通常远离SPRs波长. 在这个波段, SPRs的影响较小, 因此即使(AlxGa1–x)2O3薄膜的折射率发生变化, 也不会显著影响紫外较短波段的透射峰峰位. 由图7(b)可知, 孔径d的大小也影响透射峰的位置, 虽然它的影响不如周期显著. 孔径的变化会改变阵列的有效折射率, 进而影响共振条件. 由图7(c)可知, λ1和λ2随着周期P的改变呈现线性变化, 增大周期, 两透射峰峰值位置显著红移. 周期性结构可以激发特定波长的表面等离子体共振, 使得在某些波长下透射增强. 由图7(d)可知, 金属薄膜厚度的变化对紫外波段两透射峰峰值位置的影响不如周期变化对其产生的影响显著.

      • 3.6.   紫外波段透射峰峰值处透过率随结构参数的变化

    • 定义紫外波段较短波段透射峰峰值处透过率为T1, 较长波段透射峰峰值处透过率为T2. 为揭示不同结构参数对紫外波段透射峰峰值处透过率的影响, 图8分别给出了紫外波段两透射峰峰值处透过率随结构参数x, d, P, H的变化. 由图8(a)可知, 随着Al组分x的增大, T1先增大后减小, 在x = 0.5时其透过率最大, T2随着x的增大单调增大. 由图8(b)可知, 孔径的改变对紫外波段透射峰峰值处透过率影响显著, 随着孔径d的增大, T1和T2显著增大. 由图8(c)可知, T1和T2随着周期P的改变呈线性变化, 随着P的增大, 两透射峰峰值处透过率单调减小, 但其对透过率的影响相对来说没有孔径对透过率影响显著. 当孔径大小固定时, 孔与孔之间的距离加大, 相邻孔边缘产生的局域电磁场之间的相互作用减弱, 耦合效应降低, 导致透射效率下降, 因此透过率降低. 由图8(d)可知, Al纳米孔阵列厚度对T1的影响不明显, 对T2影响较为明显, 随着H的增大, T2明显降低. 当金属薄膜很薄时, 经典的非SPs透过率相对较高, 并伴有明显的红移. 因此, 对于紫外较长波段透射峰模式, 更薄的金属薄膜导致更高的透过率. 紫外较短波段模式的峰值波长远小于截止波长, 因此受非SPs传输的影响小的多. 因此, Al膜厚度对紫外较长波段透射峰的透过率影响显著, 而对紫外较短波段透射峰的透过率影响较小. 整体来说, 紫外较短波段超常透射现象较为明显(T1＞T2), 孔径大小的改变对紫外波段透射峰峰值处透过率的影响最为显著.

    4.   结　论

    • 综上所述, 本文利用有限差分时域算法进行数值模拟, 研究了薄膜衬底Al组分以及纳米孔阵列孔径、周期、厚度等结构参数对透射峰中心波长及峰值处透过率的定量影响. 结果表明, Al组分的改变对于紫外较长波段以及可见光区域的透过率影响较为明显. 孔径的增大使峰值处透过率显著增大, 增大孔径有效地促进了SPPs和LSPRs耦合增强, 从而实现透过率增强. 事实上, 在我们所设计的Al纳米孔阵列/(AlxGa1–x)2O3薄膜中的光透射既包含SPRs模式耦合的贡献, 也包括传统的非SPs贡献. 若仅仅考虑Bethe经典衍射理论[30]计算出的透过率, 比我们仿真的结果小2—3个数量级, 由此说明SPRs效应是引起亚波长纳米孔阵列结构出现超常透射现象的主要原因. 阵列周期的增大使透射峰峰值位置显著红移, 峰值处透过率不断降低. 周期的变化可以对透射峰的中心波长产生显著影响, 阵列的周期性在大波长范围内调制峰值位置方面起主导作用. 因此, 通过调整阵列的周期, 可以精确调控表面等离子体共振的波长位置, 即调制透射峰的位置. Al纳米阵列厚度增大, 在紫外较长波段和可见光区透射峰不断蓝移, 透过率不断下降, 在紫外较短波段整体呈现蓝移趋势, 峰值处透过率变化不明显. 通过合理的设计和优化Al纳米孔阵列/(AlxGa1–x)2O3结构相关参数, 能够有效地调控透射峰中心波长以及实现紫外波段的超常透射. 本研究基于紫外波段超常透射机制进行材料优化和结构设计, 能够在紫外光电探测器和滤波器等器件制作方面提供科学基础.

    数据可用性声明

    • 本篇论文的关联数据可以在补充材料(online)和科 学数据银行https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00036中获取.

    参考文献 (30)

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