一種色彩可調的Au-ZnO-Al納米結構的仿真模擬

檀 珺

（安徽文達信息工程學院，安徽 合肥 230000）

1 前言

近年來，三層金屬-氧化物-金屬（MIM）納米結構被廣泛用于實現對光波長的完美吸收，通過改變結構參數實現對光波反射和吸收的有效控制，甚至得到完美吸收的一定頻率的光波[1-3]。所謂特定頻率的完美吸收即在一定光波段處的反射率為零。因此，MIM結構可以用來制備結構色。與傳統染料相比，結構色由于其具有高分辨率、高信息存儲密度、高集成度、不褪色等優點而備受關注。結構色的原理是由于某種微觀結構的大小與光波長相匹配，有序排列使光的反射、透射、散射而產生顏色。這種結構顏色是由周期性微觀結構引起的。相較于化學色，結構色有著穩定而不褪色的優點。在這些完美的光吸收結構中，大部分結構呈有圖案化的金屬結構和沒有圖案化的薄膜結構，如自然界中孔雀的羽毛，蝴蝶的翅色等都屬于天然的結構色，這些天然的結構色的形成大多數是因為其本身的特殊性微觀結構而引起的光學現象。

最近，研究人員報告了用于沉積在鋁表面上的單層硅薄膜的完美光吸收體和用于Al-Si-Al 納米結構的完美光捕獲體[4-8]。在這里，我們從MIM 結構開始，用FDTD 解決方案模擬了三層納米結構 Au-ZnO-Al 結構在可見光范圍內的反射率。反射光譜用于計算結構表面顯示的顏色。反復模擬 Al-Si-Al 納米結構的反射率，并與 Au-ZnO-Al 結構的反射率進行比較。研究發現，Au-ZnO-Al 結構的反射光譜帶通寬度較窄，可應用于窄帶帶通濾波器的制造。Au-ZnO-Al 納米結構非常簡單，易于制造，對于濾光片和結構彩色顯示的應用具有很大的優勢。

2 理論模型

本次研究的器件結構示意圖如圖1 所示，該結構為三層金屬-氧化物-金屬（MIM）納米結構，其中頂層金屬層為金（Au）層，中間氧化物層為低吸收系數的氧化鋅（ZnO）層，底層金屬層為鋁（Al）層，它們依次堆疊在玻璃（硅）基板上。底部鋁層應足夠厚，以防止入射光穿透整個結構。該結構主要通過調整ZnO層厚度來改變入射光作用在整個結構后的反射率光譜。用透射矩陣來計算結構的反射率。這里指定i=0，1，2，3 代表空氣層、頂部金層、氧化鋅層和鋁層。θi表示光在介質i 中的入射角，ni和ki表示介質i 折射率的實部和虛部，φi表示光波在介質i 中傳播的相位延遲。d1，d2，d3分別表示Au、ZnO 和Al 層的厚度。這里設置d1=28nm，d3=200nm 和d2的值分別為275nm、130nm、150nm 和170nm。

圖1 Au-ZnO-Al 結構示意圖

反射率計算如下：

MIM 結構允許在 TE 和 TM 偏振狀態下發生等離子共振，金屬表面自由電子分布均勻。當光從光密電介質入射到光疏金屬的界面時，金屬層中的自由電子被誘導產生沿電場方向的不均勻密度分布，產生表面等離子體并在金屬表面上傳播。當光在介電層與金屬層的界面處發生全反射時，折射光是一種平面波，沿界面方向傳播，其幅度沿垂直于界面的方向呈指數衰減，這種電磁波稱為倏逝波。當入射角或波長為合適值時，表面等離子體波和倏逝波的頻率和波矢相等，發生耦合。此時，一定波長的入射光被吸收，反射光的能量急劇下降。

3 仿真模擬和結果討論

本文模擬采用的軟件為Lumerical 公司的FDTD solutions 軟件。通過該軟件對理論模型建模，通過改變模型中的部分參數（中間介質層ZnO 層的厚度）進行仿真模擬，將得到的反射率光譜數據計算得到形成的結構色，并通過CIE1931 標準色度系統的理論知識分析形成不同顏色結構色的原因。

在建立模型的過程中，將Au-ZnO-Al 納米結構X、Y 方向設置無限大，Z 方向的厚度可以通過設置參數進行調節。硅基底的厚度需要設置得足夠厚，用來防止入射光穿透硅基底。保持Al 層的厚度為200 nm，頂層Au 的厚度為28nm，調節ZnO 的厚度分別為275nm、130nm、150nm 和170 nm 時分別對該結構進行仿真模擬，得到反射率光譜圖，圖2 即為該納米結構的光學反射率光譜圖，y 軸對應反射率，x 軸對應光波長。紅色、青色、綠色、橙色曲線分別對應 ZnO 層厚度為275nm、130nm、150nm和170nm 結構的反射率光譜曲線。

觀察圖2 可發現，紅色、青色、綠色、橙色曲線的波谷位置光波長分別為542nm、588nm、642nm 和695 nm，且反射率近零，即說明該結構在ZnO 的厚度為275nm、130nm、150nm 和170 nm 時反射率光譜中獲得完美吸收的波長分別為542nm、588nm、642nm 和695 nm。

圖2 ZnO 層厚度分別為275nm、130nm、150nm 和170nm的MIM 結構的計算光學反射率光譜

不發光的物體本身沒有顏色。物體受到各種波段光照射后，一部分光被物體吸收，另一部分被反射，每個物體吸收不同光的頻率及光量各不相同。如果從色度學的角度來解釋，物體所吸收的特定頻率的光量決定了人眼觀察到的物體的顏色[9]。由于納米結構中ZnO 層厚度的變化導致結構對整個可見光波段中特定頻率的光進行不同程度的吸收和反射，從而改變光譜的組成。因此，人眼觀察到結構表面的顏色隨著結構參數的變化而變化。這里使用 FDTD 來模擬納米結構的反射光譜，將獲得的反射率光譜數據根據CIE1931-XYZ 系統計算得到其對應的顏色。結果顯示對應四種反射光譜的結構表面顏色分別為深粉色、青色、綠色和黃色。

基于以前的研究人員已經發表了Al-Si-Al 納米結構的完美吸收體的近零反射率。重復Al-Si-Al 納米結構的模擬，并與我們提出的Au-ZnO-Al 結構的反射光譜進行比較。

結果發現，由于室溫下ZnO 的帶隙為3.37 eV，Si 的帶隙為1.11 eV，因此ZnO 的吸收系數低于Si，Au-ZnO-Al 納米結構的反射光譜的禁帶寬度比Al-Si-Al 納米結構的反射光譜的禁帶寬度窄。因此，所提出的Au-ZnO-Al 納米結構可以更好地實現需要窄禁帶寬度的應用。為了研究光能在納米結構中的耗散位置，通過FDTD 求解軟件計算了納米結構中ZnO 的厚度為150nm 時X-Z 平面的電場分布，如圖3 所示。結果發現基底Si 層和底部Al 層的電場強度幾乎為零，電場主要分布在頂部Au 層和ZnO 層上。

圖3 ZnO 的厚度為150nm 的Au-ZnO-Al 納米結構的X-Z 平面的電場分布圖

4 結論

綜上所述，由薄金膜和沉積在厚鋁膜上的高折射率氧化錫膜組成的簡單 Au-ZnO-Al 納米結構可以實現可調諧完美吸收，在實現濾波器和制造中具有很好的應用。固定金和鋁的厚度，改變氧化鋅的厚度范圍為130nm 到275nm，得到粉紅、青、綠、黃三種顏色。此外，通過對比Au-ZnO-Al 和Al-Si-Al 納米結構具有完美吸收的反射光譜，結果發現Au-ZnO-Al 結構的反射率光譜的帶通寬度非常窄，說明所提出的Au-ZnO-Al 納米結構可以更好地實現需要窄帶通寬度的應用。最后對ZnO 的厚度為150nm 的Au-ZnO-Al 納米結構的電場分布進行了仿真模擬，發現電場主要分布在金層和氧化鋅層，而鋁層幾乎沒有電場分布。此研究將有助于實現結構色和彩色濾光片。