用于高灵敏度折射率传感的混合超表面三波段完美光吸收体

摘要

本文提出一种基于混合超表面的简单三波段完美光吸收体 (PLA) 设计，工作于可见光区，适用于折射率 (RI) 传感。区别于以往设计，所提可见光 PLA 混合超表面仅由周期性硅十字纳米结构阵列和金基底组成。沉积在金基底上的周期性硅十字阵列在正入射光照射下激发导模。仿真结果显示，PLA 中清晰观察到三个完美吸收峰：98.1% (402.5 THz)、98.7% (429.5 THz)、99.6% (471.5 THz)。这种三波段完美吸收效应归因于硅材料本征损耗，源于不同阶驻波激发的导模激发。证实通过改变单元纳米结构几何参数可轻松调控 PLA 完美吸收特性。此外，设计的 PLA 作为 RI 传感器可实现约 25.3、41.3、31.9 THz/RIU 的灵敏度。该 PLA 设计有望在传感、检测、增强可见光谱等领域提供巨大应用潜力。

引言

超表面作为光学超材料重要分支，是由亚波长周期等离子体纳米结构形成的二维 (2D) 阵列架构，包含图案化介质和金属材料。近年超表面研究广泛，因其可潜在应用于微型自由空间光学器件，如透镜、波片、光谱滤波器和吸收体。超表面基完美光吸收体 (PLA) 在光学区工作是其杰出方面之一，在光通信、热发射、光收集、传感等有前景应用。通常超表面基 PLA 可通过三层金属-介质-金属 (MDM) 或双层介质-金属 (DM) 纳米结构实现，激发各种表面等离子体共振 (SPR) 进而将光能限制在图案化金属或金属-介质界面。此外，金属和介质材料在 PLA 中的本征光损耗也是增强入射光电磁 (EM) 能量吸收的重要有利因素。确认 PLA 吸收能力通常依赖等离子体超表面的形状、尺寸、厚度和组成，也对周围材料折射率 (RI) 敏感。就传感应用而言，窄带 PLA 因其大调制深度被深入研究。当 PLA 置于气体或液体环境中，吸收峰频率随周围材料 RI 变化显著偏移。因此提出并深入研究了许多基于窄带 PLA 的超表面。例如 Cheng 等提出基于 MDM 配置的窄带 PLA，灵敏度约 590 nm/RIU。Bhattarai 等演示基于法布里-珀罗腔机制的蘑菇帽窄带 PLA，灵敏度高达 2508 nm/RIU。随后基于 MDM 配置的其他 PLA 持续提出并理论研究。尽管这些窄带 PLA 能实现高灵敏度，但因超表面设计复杂，大规模生产耗时昂贵。因此若窄带 PLA 能由相对简单结构支持将极有帮助。Yong 等提出基于全金属超表面的 PLA 简单设计方案用于传感应用。这些 PLA 通常用金或银等贵金属，也会增加制造成本。

近年基于硅纳米结构的超表面因其在探测器、光子波导、颜色发生器和滤波器、PLA 等应用受关注。类似金属纳米结构，硅是可行的高 RI 材料，可通过结构设计在光频范围支持各种 SPR。此外硅可低成本、显著兼容互补金属氧化物半导体 (CMOS) 工艺，易满足大规模生产要求。因此相信基于硅超表面的窄带完美吸收在传感应用中极具意义。例如 Ahmmed 等提出由非晶硅纳米盘阵列沉积金层组成的混合超表面 PLA，可在近红外区作 RI 传感器。但仅单窄带工作，限制多路复用传感检测潜在应用。据我们所知，极难找到利用超表面的高效多波段 PLA 报道，其工作在可见光区有效。

本文提出并理论演示可见光区基于混合超表面的三波段 PLA，适用于 RI 传感。由单尺寸硅十字纳米结构阵列和金基底组成的混合超表面，在三个不同谐振频率展现吸光率超 98% 的三波段完美吸收。通过分析共振时电场、功率流、功率损耗密度空间分布，阐释了观测到完美吸收的物理机制。研究了单元纳米结构几何参数对 PLA 吸收特性的影响。此外，确认 PLA 吸收峰对周围介质 RI 值敏感，使其成为传感应用潜在候选者。此外，混合超表面基 PLA 易于简单制备，且易集成到同一芯片的等离子体、电子、光子器件中。这种三波段 PLA 设计为基于混合超表面的纳米光子器件实现铺平有效道路，可作为多路复用传感、检测和增强可见光谱的潜在候选者。

方法

图 1 展示基于混合超表面可见光 PLA 设计示意图，仅由两功能层组成：周期性硅十字纳米结构阵列构成顶层介质谐振器，底层为金基底。已证明不同图案化等离子体硅结构在入射光照射下可支持不同 SPR 模式，因其良好光学性质可从太赫兹到可见光频段构建 PLA。

可见光区半导体硅是经济高 RI 材料，经特殊结构设计可作为介质谐振器。此外硅可在低温下高效生长在异质基底 (如金基底) 上，凭借对 CMOS 工艺的良好兼容性，易满足大规模生产要求。我们关注的可见光范围 (350-500 THz) 内，硅 RI 近似恒定，约 n_si = 3.7 × (1 + 0.0025i)。金 (Au) 基底层可用实验数据基于频率相关 Drude 模型描述。金基底厚度大于可见光范围入射光穿透深度。区别于典型 MDM 配置，我们提议的基于混合超表面 PLA 由亚波长周期双层 DM 纳米结构形成，因单元十字纳米结构和方晶格的几何旋转对称性，预期 PLA 对正入射光不依赖偏振。优化几何参数：px = py = 400 nm，l = 350 nm，w = 100 nm，h = 85 nm，ts = 100 nm。如图 1c 所示，单元周期沿 x 和 y 轴设为恒定 400 nm，避免高达 750 THz 频率的衍射。

基于混合超表面的 PLA 通过基于有限元法 (FEM) 的 CST Microwave Studio 仿真工具设计和研究。如图 1c 所示，考虑 350-500 THz 宽频范围平面波激励作为光源，波矢垂直于混合超表面表面。仿真中网格尺寸设为 0.3 nm，远小于工作波长和单元尺寸。为确保可忽略数值误差，仿真单元前进行标准收敛测试。沿 x 和 y 轴使用周期性边界条件考虑混合超表面周期性排列。入射线偏振光设为沿 z 轴传播，电场 (Ex) 和磁场 (Hy) 分别沿 x 和 y 轴方向。设计中因金基底阻挡透射，吸收率仅由 A(ω) = 1 - R(ω) = |S11|² 计算，S11 为反射系数。

结果与讨论

图 2 展示基于混合超表面 PLA 在正入射光照射下可见光区模拟反射率和吸收率谱。清晰观察到三个不同谐振点：f1 = 402.5 THz、f2 = 429.5 THz、f3 = 471.5 THz。这些谐振处反射率降至 1.9%、1.3%、0.4%，对应吸收率升至最大值 98.1%、98.7%、99.6%。根据前期工作，推测三个谐振处完美吸收归因于正入射光照射下硅十字纳米结构高阶 SPR 模式激发，后文详述。尽管高 RI 半导体硅和高反射率金基底广泛用于前期工作，但本文提出的新颖 PLA 设计在利用单尺寸硅十字纳米结构实现可见光区三波段完美吸收方面表现出相对改进特性。此外，因单元几何旋转对称性高，预期 PLA 对正入射光不敏感，类似前期设计。

此外，按前期参考计算了 PLA 半峰全宽 (FWHM) 和 Q 因子。上述三个谐振位置 FWHM 约 64.875 THz、27.75 THz、34.125 THz，对应 Q 因子 (= fi/FWHMi，i=1,2,3) 约 6.48、14.57、13.82。应注意三波段完美吸收在理想气介质中观察到。但可通过调节设计 PLA 外部/环境 RI 值调谐谐振吸收特性。意味着操作频率可通过改变 PLA 周围环境 RI 值显著调控。因此设计的具有陡峭谐振的 PLA 可为多路复用传感器和探测器提供潜在应用。

为验证设计 PLA 观测到三波段完美吸收现象背后的物理机制，系统研究了三个吸收峰处电场 (Ex, x-z 平面) 和磁场 (Hy, y-z 平面) 空间分布，如图 3 所示。显然，强电场和磁场 (Ex 和 Hy) 空间分布模式在不同谐振频率显著不同，揭示不同 SPR 模式激发。但显然电场和磁场在共振时始终强烈集中在硅十字与金基底界面。这些空间场特征表明硅十字纳米结构与金基底界面处不同高阶导模被激发。当入射光在不同折射率波导间耦合时，可在介质/金属界面激发强烈导模谐振。同时，入射光与介质/金属纳米结构导模谐振耦合成为可能，类似金属光栅导模谐振效应。

为阐释设计 PLA 纳米结构导模谐振，可假设设计硅十字纳米结构为可见光区介质波导。入射光射入相邻两单元间隙时，会衍射进入硅层并被金基底反射，随后导入硅/金基底界面。因单元对称设计，相邻间隙耦合导向光向相反传播，结果在波导层形成驻波。根据图 3a-f 结果，发现正入射光照射下仅激发纳米结构中奇次谐波导模。图 3a-f 分别显示纳米结构中一阶、三阶、五阶模式。结果与基于 MDM 配置前期 PLA 一致，二阶模式无法被正入射光激发。因为谐波导模激发主要由设计纳米结构几何参数决定。意味着仅在本工作特殊适当纳米结构设计下可激发奇次或谐波导模。该纳米结构高阶导模激发将增强入射光耦合进气隙并定域在硅/金界面，最终在不同谐振频率创造完美光吸收。众所周知，纳米结构导模激发引起的入射光能量损耗足够大，在谐振处引入高水平吸收。此外，这些导模谐振主要由设计纳米结构几何尺寸和周围介质决定。可得出结论：与使用需更深亚波长结构的基阶模式相比，高阶导模也可用于在可见光区获得中等几何参数的高性能 PLA。

为更深入定性理解上述完美吸收，研究了正入射 y 偏振光在不同谐振频率 (f1=402.5 THz, f2=429.5 THz, f3=471.5 THz) 下功率流流线和功率损耗密度 3D 分布，如图 4a-c 所示。首先，输入光功率流在远离纳米结构空间呈平行流。入射光流靠近 PLA 时，大部分“穿过”单元，随后在硅层卷曲并最终集中在硅和金基底界面。此时纳米结构中功率流空间形式在不同吸收频率表现出各种特征。功率流流线轮廓由纳米结构导模激发引起，本征损耗通常发生在块体材料中。因硅和金在可见区均为介质损耗材料，可认为导模激发不同高阶引起的光能损耗主要源于硅十字纳米结构和金基底。

图 4d-f 显示单元纳米结构在 f1=402.5 THz, f2=429.5 THz, f3=471.5 THz 下功率损耗密度 3D 分布。观察到功率损耗密度主要分布在硅十字纳米结构与金基底界面间。显然入射光功率完全限制在设计 PLA 纳米结构中。因纳米结构中硅和金在可见区均为介质损耗材料，光能耗散发生在设计 PLA 中。我设计中硅十字比前期方形和圆盘更有利于提升吸收性能，因十字型纳米结构间隙因导模激发更易捕获入射光。事实上，适当几何设计的结构化硅本身可依靠硅在可见区损耗特性作为良好 PLA。此外硅十字也可假设为抗反射层，使金基底在谐振处成为近乎完美吸收材料。金在可见区仍具等离子体性，因其介电常数实部为负。应注意无 SPR 响应时入射光会被金基底强烈排斥，完美吸收不可能实现。

综上分析可得出结论：拟议 PLA 三波段完美吸收源于可见区高阶导模和硅、金基底介质损耗特性。简而言之，导模谐振和纳米结构损耗是设计 PLA 完美吸收两个关键因素。

接下来，通过参数研究系统考察单元各几何参数对设计 PLA 吸收性能影响。对本文拟议 PLA，仅需考虑四个几何参数：硅十字纳米结构线宽 (w)、线长 (l)、高度 (h) 和单元周期性 (p)。图 5a-d 展示不同几何参数 (w、h、l、p) 下设计 PLA 吸收率谱系列。值得注意一次仅调节一个几何参数，其余保持恒定。

基于图 5a、b，观察到改变一个几何参数而其余恒定时，谐振峰吸收率可维持 95% 以上。然而操作频率对 PLA 几何参数敏感。当 PLA 周期性 (p) 固定时，吸收峰频率与单元几何尺寸 (w、h、l) 成反比，与前期研究吻合。因导模谐振有效折射率随 w、h、l 增大而增加。图 5a 描绘不同 w 尺寸 PLA 吸收率特性。w 从 85 nm 以 5 nm 步长变至 105 nm，清晰观察到吸收光谱显著红移。对于 w > 100 nm 更宽线宽硅十字 PLA，第一、二吸收峰吸收率略微下降，第三峰近似维持。此响应主要源于纳米结构诱导的耦合和限制效应减弱。此外，与第二、三谐振峰相比，第一峰对 w 变化敏感得多，导致显著红移现象。图 5b 展示不同 h 尺寸 PLA 吸收率特性。h 从 80 nm 以 5 nm 间隔增至 100 nm，吸收光谱变化类似 w 情况，吸收峰频率同样轻微红移。随 h 增加，第一谐振峰吸收率逐渐增加，第二峰略微下降，第三峰近似维持恒定。图 5c 显示线长 l 从 340 nm 以 5 nm 步增至 360 nm 时吸收峰向低频偏移。随 l 增加，第一吸收峰吸收率略微下降，其他谐振峰保持恒定。图 5d 显示周期性 p 从 390 nm 以 10 nm 间隔增至 430 nm 时，吸收峰呈完全相反变化趋势，可描述为吸收峰“蓝移”。随 p 增加，第一谐振峰吸收率略微增加，其他吸收峰近似不变。总之，图 5 结果确认吸收峰与图 3 证实的驻波特性相关，表明拟议 PLA 操作频率和效率可直接通过线宽 (w)、高度 (h)、线长 (l) 和周期性 (p) 等相对几何参数调控。

根据上述设计三波段 PLA 结果和讨论，可期望其作为 RI 传感应用有希望候选者。为阐明设计三波段 PLA 传感应用实用性，进一步验证吸收率谱作为周围分析物 RI 值函数的行为。如图 6a 所示，周围分析物填充拟议 PLA 硅十字纳米结构间隙。因 PLA 在谐振频率附近具有三窄带宽和完美吸收，预期展现良好传感性能。周围分析物 RI 值变化对吸收率谱依赖性见图 6b。应注意当周围分析物 RI 值从 n=1.0 以 0.1 步变至 n=1.4 时，吸收率可维持 95% 以上，三个谐振峰频率偏移明显，可描述为随周围分析物 RI 值增加出现明显红移。三个频率点 1 (f1)、2 (f2)、3 (f3) 变化平均分别约 2.53 THz、4.13 THz、3.19 THz。事实上，PLA 传感能力广泛接受用体积 RI 灵敏度 (S) 定义：S = Δf/Δn，Δf 和 Δn 分别为谐振频率和 RI 值变化。按上述定义，如图 6c 所示，三个频率点 (f1、f2、f3) 平均 S 值评估约为 25.3、41.3、31.9 THz/RIU。凭借优异传感特性，三波段 PLA 设计可信在传感器相关领域极具前景。

结论

总之，本文提出并数值研究了一种基于混合超表面的简单三波段 PLA 设计，可信适用于 RI 传感。拟议基于混合超表面 PLA 设计仅由沉积在金基底上的周期性硅十字纳米结构阵列组成。数值结果表明设计 PLA 在 402.5 THz、429.5 THz、471.5 THz 分别展现 98.1%、98.7%、99.6% 高吸收率。通过分析三个不同谐振频率电场和磁场空间分布，探索了设计 PLA 物理图像。结果表明电磁能可通过硅十字纳米结构与金基底损耗界面处不同高阶导模产生的驻波耗散，导致三波段完美吸收。此外，功率流流线和损耗密度空间分布揭示硅和金在可见区介质损耗特性对 PLA 完美吸收也至关重要。另外，通过调节单元几何参数，设计 PLA 谐振吸收特性在可见区也得到良好调控。此外，谐振峰频率已证明对填充拟议 PLA 周围分析物 RI 变化极敏感。PLA 平均体积 RI 灵敏度 S 值约 25.3、41.3、31.9 THz/RIU。拟议 PLA 可通过深反应离子刻蚀 (DRIE) 或先进电子束光刻 (EBL) 技术易于制备，成本效益兼容 CMOS 工艺。因此该 PLA 设计为可见区多光谱 RI 传感应用开辟新途径，特别适用于生物分子、气体检测、医学诊断、空间生物传感。也有潜力用于神经干细胞分化增殖多路复用传感活动基底应用。

数据与材料可用性

当前研究期间生成和/或分析的数据集可经通讯作者合理请求获取。

缩略语

PLA:

完美光吸收体

RI:

折射率

RIU:

折射率单位

2D:

二维

MDM:

金属-介质-金属

SPRs:

表面等离子体共振

EM:

电磁

CMOS:

互补金属氧化物半导体

FEM:

有限元法

FWHM:

半峰全宽

DRIE:

深反应离子刻蚀

EBL:

电子束光刻