等离激元窄带吸收薄膜制造技术

本发明专利技术提供一种等离激元窄带吸收薄膜，包括基底层及设置于所述基底层表面的介质层，还包括设置在所述介质层表面的隔离层及设置在所述隔离层表面的介电颗粒层，所述介电颗粒层由多个介电颗粒按一定周期排列形成。本发明专利技术的优点在于：1、相比于金属颗粒中的自由电子的等离激元共振，热损耗能够大大降低。2、能够实现强局域的电磁共振窄波长光吸收，进一步增强电磁波与介电颗粒作用强度，因此可以在不均匀的环境中实现窄波长的强局域共振响应。3、可以调节电磁能量在介质层和介电颗粒的吸收比例，从而降低金属热损耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及二维平面光子晶体领域，尤其涉及一种等离激元窄带吸收薄膜。
技术介绍
金属颗粒在电磁波的激励耦合下产生表面电子的集体震荡表现了奇异的光学特性，也就是所谓的局域等离激元共振特性。这种光和电子的共振能够将光约束在金属颗粒表面几十纳米甚至更小的范围，并且形成很强的局域电磁场，金属颗粒的局域等离激元超强的光学局域和光场增强特性使其在生物传感器、表面增强拉曼光谱以及荧光增强光谱等技术上展现了巨大的应用前景。另一方面，当金属颗粒形成周期性阵列时，在一定的激发电磁波长下，颗粒周期阵列的衍射模式和单个颗粒的局域等离激元共振发生相互作用，显示出一种新奇窄带光学振荡模式。在这种阵列的集体共振耦合下，单个颗粒的局域等离激元的共振能量向自由空间的辐射会大大减少，更多的电磁波的能量将会束缚在金属颗粒阵列中，相应腔体的振荡模式的品质因子得到提高。这种异常的金属纳米颗粒阵列具有光放大的局域电磁共振，同时能够产生很窄波长的光学吸收响应，因此在纳米激光器，传感器，探测器等领域有潜在的应用价值。美国西北大学的Teri W.Odom等人(2013,Nature Nanotechnology)利用金属颗粒周期阵列的共振腔体模式，结合红外染料荧光分子增益材料，实现室温等离激元耦合红外光致激射发光。相关周期性金属颗粒阵列等离激元耦合共振应用研究广受关注，但是其应用前景同样受到限制。首先金属颗粒阵列需要在一个均匀的介质环境中才能实现衍射耦合共振。在不同的衬底表面，这种周期性金属结构导致的衍射耦合作用将会减弱，这样无法阻止更多的电磁波泄露到自
由空间中。其次，金属颗粒中自由电子等离激元耦合共振产生的局域电磁增强场通常伴随着较大的电磁能量吸收，会产生大量的金属热损耗，导致金属周期阵列对电磁能量的全吸收主要转换为金属的热损耗。这样不仅会使金属结构周围的温度升高，而且会使电磁波能量的利用率降低。
技术实现思路
为克服现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种等离激元窄带吸收薄膜，其具有低热消耗、能够在不均匀的环境中实现窄段吸收的优点。为了解决上述问题，本专利技术提供了一种等离激元窄带吸收薄膜，包括基底层及设置于所述基底层表面的介质层，还包括设置在所述介质层表面的隔离层及设置在所述隔离层表面的介电颗粒层，所述介电颗粒层由多个介电颗粒按一定周期排列形成。进一步，所述介电颗粒按照一平行四边形阵列排列形成介电颗粒层。进一步，所述平行四边形阵列的两边的夹角θ的范围为：0°＜θ≤90°进一步，每相邻的两个介电颗粒之间的距离相等，所述介电颗粒的周期为相邻的两个介电颗粒之间的距离与介电颗粒的直径之和。进一步，所述等离激元窄带吸收薄膜受一定波长的电磁波的激发，所述介电颗粒的周期与所述电磁波的波长的比值范围为0.05-1。进一步，所述等离激元窄带吸收薄膜受一定波长的电磁波的激发，所述介电颗粒的的尺寸与所述电磁波的波长的比值范围为0.05-1。进一步，所述介电颗粒层的折射率大于所述隔离层的折射率。进一步，所述介电颗粒层的折射率与所述隔离层的折射率的比值大于1.4。进一步，所述介电颗粒的材料为无机材料或有机材料中的一种。进一步，所述介质层的材料为石墨烯或金属。本专利技术的优点在于：1、高折射率介电颗粒能够和入射的电磁场相互作用产生谐振的电磁耦合模式，这种谐振模的产生基于介电颗粒中的束缚电子电磁耦合共振，相比于金属颗粒中的自由电子的等离激元共振，热损耗能够大大降低。2、周期性的介电颗粒阵列能够产生类似于金属颗粒阵列的衍射耦合共振，能够实现强局域的电磁共振窄波长光吸收，并且这种共振模式在靠近金属时，同金属表面的等离激元相互耦合，进一步增强电磁波与介电颗粒作用强度，因此可以在不均匀的环境中实现窄波长的强局域共振响应。3、通过改变介电颗粒的排列周期，可以调节电磁能量在介质层和介电颗粒的吸收比例，从而降低金属热损耗。附图说明图1为本专利技术等离激元窄带吸收薄膜的结构示意图；图2为在垂直电磁场(波矢方向沿Z轴)入射下的等离激元窄带吸收薄膜表面的反射和吸收光谱曲线；图3为电场强度沿硅介电颗粒中心XZ面分布图；图4为在垂直电磁场入射下的材料表面的硅介电颗粒层和银金属介质层分别吸收光谱曲线；图5为金属银介质层，硅介电颗粒层以及总的电磁波的吸收强度峰值对周期的变化曲线图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术提供的等离激元窄带吸收薄膜的具体实施方式做详细说明。图1中X-轴、Y-轴及Z-轴分别代表X轴、Y轴及Z轴。参见图1，本专利技术等离激元窄带吸收薄膜包括基底层101、设置于所述基
底层101表面的介质层102、设置在所述介质层102表面的隔离层103及设置在所述隔离层103表面的介电颗粒层104。所述介电颗粒层104由多个介电颗粒105按一定周期排列形成。每相邻的两个介电颗粒105之间的距离相等，所述介电颗粒105的周期P为相邻的两个介电颗粒105之间的距离与介电颗粒105的直径之和。在本具体实施方式中，所述介电颗粒105按照一平行四边形阵列排列形成介电颗粒层104。例如，四个介电颗粒105，可分别设置为平行四边形阵列的四个顶点，所述平行四边形阵列的相邻的两个边的夹角θ的范围为：0°＜θ≤90°。本专利技术介电颗粒105按一定周期排列形成介电颗粒层104，使得介电颗粒层104能够在电磁波的激发下产生一定波长的异常衍射共振模式，这种共振模式能够与金属等离激元相互耦合，进而增强电磁波与介电颗粒105作用强度，并且可通过调节介电颗粒105的排列周期来调控介质层102及介电颗粒层104对电磁波的吸收强度。所述介电颗粒105的材料可以为有机材料或无机材料；所述有机材料为有机聚合物任意一种；所述无机材料为硅、锗、二氧化钛、磷化镓、砷化镓、硫化镉、氧化锌、氮化镓、硒化镉中任意一种或者一种可使用微制造技术或者纳米制造技术加工的高折射率的材料制成。所述介电颗粒105的形状可以为任意形状，例如，球体、圆柱、棱锥、多面体，本专利技术不进行限制。本具体实施方式中，所述介电颗粒105的材料为硅，选取为球体，其半径r选取65nm，周期p可为：300nm-700nm。进一步，所述等离激元窄带吸收薄膜受一定波长的电磁波的激发，所述介电颗粒105的周期与所述电磁波的波长的比值范围为0.05-1。所述介电颗粒105的尺寸与所述电磁波的波长的比值范围为0.05-1。所述介电颗粒105的尺寸指介电颗粒105在所有方向上的最大长度。所述基底层101起到支撑衬底的作用，其材料本专利技术不进行限制。所述介质层102起到电磁场反射和等离激元局域激发的作用，在激发源的电磁场和介电颗粒层104作用后，一部分电磁场会透过介电颗粒层104，介质层102能够将透过的电磁场反射以及与之作用产生等离激元振荡，进一步的增强电磁场的局域性和吸收效率。所述介质层102的材料可以为石墨烯或金属，所述金属可以为金、银、铝、铜、钛、镍、铬中任意一种或几种的合金。在本具体实施方式中采用银材料作为介质层102，复介电函数色散关系为： ϵ Ag = ϵ b - E p 2 [ 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种等离激元窄带吸收薄膜，包括基底层及设置于所述基底层表面的介质层，其特征在于，还包括设置在所述介质层表面的隔离层及设置在所述隔离层表面的介电颗粒层，所述介电颗粒层由多个介电颗粒按一定周期排列形成。

【技术特征摘要】
1.一种等离激元窄带吸收薄膜，包括基底层及设置于所述基底层表面的介质层，其特征在于，还包括设置在所述介质层表面的隔离层及设置在所述隔离层表面的介电颗粒层，所述介电颗粒层由多个介电颗粒按一定周期排列形成。2.根据权利要求1所述的等离激元窄带吸收薄膜，其特征在于，所述介电颗粒按照一平行四边形阵列排列形成介电颗粒层。3.根据权利要求2所述的等离激元窄带吸收薄膜，其特征在于，所述平行四边形阵列的两边的夹角θ的范围为：0°＜θ≤90°。4.根据权利要求1或2所述的等离激元窄带吸收薄膜，其特征在于，每相邻的两个介电颗粒之间的距离相等，所述介电颗粒的周期为相邻的两个介电颗粒之间的距离与介电颗粒的直径之和。5.根据权利要求4所述的等离激元窄带吸收薄膜，其特征在于，所述等离激元窄带吸收薄...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄增立，王建峰，刘争晖，徐耿钊，钟海舰，樊英民，徐科，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32