基于表面等離激元超材料的紅外熱傳感器研究

吳元慶,李崎嫚,劉春梅,王 婷

(渤海大學 物理科學與技術學院,遼寧 錦州 121013)

非制冷紅外熱傳感器是一種利用熱敏材料進行紅外探測的器件,通過輻射吸收將紅外信號轉換成電信號[1]。熱敏材料的電阻變化類型可以分為正溫度系數和負溫度系數,它以細微的溫度變化產生電阻值波動為原理,在紅外探測中通過輸出信號的改變來進行紅外信號的探測[2]。

近年來紅外技術發展迅速,尤其是在軍工領域,但是如何提高探測器對紅外輻射的吸收能力,仍舊是研究人員關注的熱點[3]。基于等離激元的超材料技術被用于提高紅外探測器的紅外吸收能力,可以有效提高紅外探測精度和紅外隱身能力。Chang 等[4]通過二維金屬孔陣列超材料結構,實現InAs 量子阱紅外探測器效率的提高,通過調整結構參數,實現探測器的共振波長達到約9 μm,從而使探測器的紅外吸收能力大幅提高,約為原來吸收率的1.3 倍。Zhang 等[5]設計了一種用于紅外窄帶吸收的完美吸收器,采用兩對金屬-介質超材料疊層技術,通過間隔層材料的特性形成不同的能量耗散機制,從而形成兩個吸收率大于98%的高吸收峰結構,可以用于材料和器件的紅外吸收效率提高。但是上述結構均為三維結構,制作工藝復雜,對于器件加工來說,難度較大,不利于批量生產。且上述結構對器件的調整過大,對于非制冷紅外探測器的熱分布具有較大影響,不利于其穩定工作。

為了進一步提高非制冷紅外探測器的吸收效率,降低器件加工難度,本文設計了一種基于等離激元超表面結構的紅外探測器,利用多模式共振耦合的方式,提高探測器在其工作波長的紅外吸收能力,通過參數的優化,使得器件在3～5 μm 和8～14 μm 兩個波長范圍內具有更好的紅外吸收能力。

1 紅外吸收

1.1 紅外輻射吸收

對于紅外微測輻射熱計來說,評價其紅外吸收性能的好壞,主要在于其吸收效率和吸收帶寬等參數[6]。如何提高其吸收效率,擴展其吸收帶寬,是所有促吸收結構的首要目的。

由光和物體的作用原理可知,物體對于光的吸收率A、反射率R和透射率T之間存在一定的關系,三者之和等于1,即A+R+T=1。當傳感器發生入射光的吸收時,可以通過下列條件的滿足來實現紅外輻射的近完美吸收:

(1)空氣-傳感器界面反射率R最小;

(2)通過光耦合促吸收的原理實現光能的高轉化效率;

(3)將被吸收到的光能通過其他形式轉化,提高探測器吸收能力。

1.2 阻抗匹配

對于探測器的紅外吸收來說,首要條件在于空氣-傳感器界面的抗反射能力,介電常數ε 和磁導率μ是影響材料吸收率的關鍵因素,最大程度上減小器件與空氣之間的阻抗差,可以有效提高器件紅外吸收能力[7]。由菲涅爾方程可知,當器件表面粗糙度很低時,其表面的反射率R可以表示為:

式中:Z表示器件的阻抗,阻抗的大小由介電常數與磁導率比值的平方根決定;Zc和Z0分別表示傳感器的阻抗和空氣的阻抗。

由式(1)可知,當傳感器的阻抗與空氣阻抗相等時,反射率可以達到最小。由于傳感器襯底材料具有高阻抗特性,所以很難通過低阻抗表面材料實現器件阻抗的降低。但通過表面微結構的處理來降低器件阻抗是可行的,利用共振超表面等離激元結構能夠有效降低器件表面電阻,提高紅外吸收性能。

1.3 耦合促吸收

光學耦合促吸收可以通過光路諧振,實現波長共振吸收。多個諧振腔的組合能夠有效實現帶寬增強,并適當消除材料自身的阻抗特性[8]。

將光子能量通過光學諧振腔進行控制,將其限制在紅外傳感器的吸收層介質中以提高吸收效率。等離激元共振是一種使金屬表面電子橫向傳播的機制,能夠有效提高光子能量的吸收效率。

利用金屬-介電材料-金屬(MDM)結構能夠有效實現窄帶光吸收,設定介質材料的厚度為共振波長的1/4,兩端金屬材料實現光能量相消干涉,從而降低器件表面發射率。

多層結構堆疊以及材料表面圖形處理,能夠有效實現光能束縛,進一步提高傳感器的吸收帶寬。

1.4 能量轉化吸收

將紅外光的光子能量轉化為熱能量,是一種促進吸收的方式,也是紅外微測輻射熱計的工作原理[9]。

由基爾霍夫定律可知,物體吸收的熱量與其平衡時發射的能量相同,從而可以通過優化傳感器的散熱能力來提高其紅外光吸收能力。利用自然損耗材料作為傳感器的吸收介質,可以在增強紅外吸收的同時,有效擴展器件工作帶寬,對于紅外探測器的吸收機制,改善其性能具有重要的意義。

1.5 等離激元超材料

表面等離極化激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是一種使用入射光子與導體表面電荷耦合振蕩的方式,令入射光子沿著電介質和金屬的交界面進行傳播,最終使得光子在電介質和金屬界面的垂直方向上受到約束從而衰減的電磁模式[10]。

基于麥克斯韋方程組,可以進一步探求表面等離激元的響應模式和物理特性,對SPPs 的空間分布和色散關系進行進一步推算,可知:

對等離子場的傳輸模型進行假設:假定表面等離激元的模式被約束在X-Z平面,且在笛卡爾坐標系的X方向上傳輸,當交互電場E以E=E(y,z) eiβx的形式存在,磁感應強度B以B=B(y,z) eiβx的形式存在,這兩式中β代表場的傳輸波矢。

等離激元超材料是由一系列亞波長的人工結構有序排列而成,可以通過有效介質理論進行阻抗設計,利用有效介電常數εeff及有效磁導率μeff來實現阻抗控制。

利用S參數反演法,進一步推導出器件的εeff和μeff,傳感器結構的反射率R可以通過端口1 的反射系數S11表示,而透射率T可以通過端口2 的透射系數S21來表示。

對于有一定厚度的材料,其等效阻抗的表示式為:

由于器件的折射率實部與虛部均不小于0,可以推導出材料的折射率,表示式為:

式中:k0為真空波矢量;d為傳感器厚度。對于一般介質材料,尤其是非磁性材料,其磁導率約為1,從而可以通過調整有效表面介電常數與空氣接近,實現材料阻抗匹配。

由Maxwell-Garnett 模型知,可以將空氣與傳感器介電常數之間的關系描述為:

式中:fa是整個結構的等效空氣體積分數;εc為傳感器介電常數;εa為空氣介電常數。等效介電常數εeff的取值范圍,介于空氣和傳感器的介電常數之間,可以通過提高結構中空氣介質的含量來降低傳感器的反射率。

利用調控超表面光柵可以生成等離激元,促進光子吸收的同時有效改變器件的折射率[11]。通過光子在電介質材料的單元結構中傳播過程的相位積累來實現調控色散的目的,為了改變相位的積累程度,需要適當調整單元結構中的占空比。相位的變化可以表示為:

式中:Δφ代表變化的相位;λ代表入射波長;nM為最大折射率;nm為最小折射率;d代表光柵結構的高度。

圖1 光吸收過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of light absorption process

2 光學仿真參數

2.1 模型構建

設計的非制冷紅外探測器是基于光柵結構的紅外微測輻射熱計,結構示意圖如圖2 所示。

圖2 紅外傳感器剖面圖Fig.2 Sectional view of infrared sensor

對于紅外傳感器,其初始結構自上而下分別為光柵、氮化硅、VOx、氮化硅和金屬層[12]。

光柵結構置于探測器表面,降低結構制作難度。器件的光路介質層,由兩層氮化硅夾一層VOx吸收層構成。整個介質結構置于金屬光柵和金屬反射層之間,形成光路耦合,用于促進光子吸收。底層金屬厚度高于趨膚深度,從而有效避免光輻射的底部透射,實現光信號的二次反射,提高光學吸收能力。

對于紅外非制冷熱傳感器的結構,參考其實際工藝,模型初始參數設置為:光柵周期5 μm,銀材料光柵占空比為0.5,初始光柵厚度100 nm,Si3N4表面鈍化層的厚度為200 nm,VOx層材料厚度200 nm,Si3N4支撐層厚度300 nm,底部為銀材料反射層300 nm[12]。

2.2 參數設定

大多數情況下,表面等離子體振動發生在金屬及介質的界面處。然而金屬氧化物也擁有同樣的效用。這種金屬氧化物的SPR 效應即Surface Plasmon Resonance 效應可用Drude-Lorentz 的色散模型解釋。在本文敘述中,對于敏感材料VOx,它的表面等離子體色散關系可以用下面的公式來描述:

式中:ε∞表示高頻介電常數;ωn表示等離子體共振頻率;ωc表示衰減率;sm表示振蕩強度;ωm表示諧振頻率;Гm表示線寬;m表示Lorentz 項的階數。

本文采用有限差分法,仿真新的具有光柵式探測器結構的光學吸收效果,通過參數改變實現傳感器效率變化,最終實現探測器效率最大的目的[13]。

器件的結構呈周期性循環排列,所以本次只分析一個周期的結構來推知整體。選擇金屬銀作為光柵材料,它的光學參數來自于文獻[14];另一個材料VOx的參數中,ε∞=5.423 kHz,ωn=4.572 kHz,ωc=0.906 kHz,Lorentz 參數來自于文獻[15]。

3 實驗結果與數據分析

由于S 偏振光無法在二維模型結構中生成SPP波,因此默認本文模型入射光為垂直器件表面入射,偏振方向平行于傳感器器件的入射面,主要為P 偏振光。仿真過程設置入射紅外光的波段為2～20 μm,綜合考慮大氣窗口的存在,最終優化的結果主要考慮3～5 μm 和8～14 μm 兩個紅外波段。

由于其他參數對于紅外吸收的影響較小,本次仿真過程重點考慮了不含光柵結構時VOx吸收層對于紅外光吸收效率的影響。而增加光柵結構后,重點考慮光柵參數對于紅外波段光線的吸收能力,獲取最佳結構參數。

3.1 無光柵時VOx厚度的影響

作為紅外非制冷熱傳感器的核心,VOx材料的厚度會嚴重影響器件的紅外吸收率,其結果如圖3所示。

圖3 無光柵結構時VOx厚度對吸收率的影響Fig.3 Effect of VOx thickness on absorption efficiency without grating

由圖3 可以看到,對于特定VOx厚度的吸收率曲線,在2～20 μm 波長范圍內,只存在兩個吸收峰,而隨著VOx材料厚度的增加,吸收峰的位置均發生了紅移,但曲線形狀變化不明顯。對于本文所要的大氣窗口紅外吸收波段,可以考慮通過改變VOx厚度,來使吸收峰位置調制于3～5 μm 和8～14 μm 位置。

3.2 光柵參數對吸收效率的影響

對模型增加銀材料光柵后,整個傳感器的紅外吸收波形發生了明顯變化,吸收峰也由原先的2 個變成4 個,主要是由于光柵的引入,在器件內部形成兩個等效金屬-介質-金屬結構,從而由于光波諧振產生了對應的兩個吸收峰。

(1)光柵厚度的影響

為了分析光柵參數的影響,改變模型的光柵厚度,分別考慮光柵厚度在0.01～0.1 μm 范圍內變化的情況下,吸收效率的變化情況,結果如圖4 所示。

由圖4 可以看到,隨著光柵厚度的縮小,器件的紅外吸收呈現一定的紅移現象,最右側的吸收峰逐漸下降,而第三吸收峰的吸收率卻呈現增加的趨勢。而對于3～4 μm 的波長范圍,吸收率增加較為明顯。

圖4 光柵厚度對吸收率的影響Fig.4 Effect of grating thickness on absorption efficiency

(2)光柵周期的影響

改變光柵模型的周期,分別考慮光柵周期在1～7 μm 范圍變化的情況下,吸收率的變化情況,結果如圖5 所示。

圖5 光柵周期對吸收率的影響Fig.5 Effect of grating cycle on absorption efficiency

由圖5 可以看到,光柵周期的變化會嚴重影響器件的紅外吸收。隨著光柵周期的增大,紅外吸收的趨勢依然是呈現紅移的狀態,第四吸收峰的高度也逐漸降低,但在第三吸收峰位置出現了新的吸收峰。

(3)占空比的影響

改變光柵的占空比,分別考慮占空比在0.1～0.9范圍變化的情況下,吸收率的變化情況,結果如圖6所示。

圖6 為光柵的占空比對吸收率的影響,隨著光柵占空比的增大,吸收峰位置逐漸左移,吸收峰最大值的位置在占空比為0.5 左右時,在波長4 μm 處,吸收率接近100%。

圖6 光柵的占空比對吸收率的影響Fig.6 Effect of duty ratio of grating on absorption efficiency

(4)光柵位置的影響

改變模型中光柵的位置,從而在模型中改變諧振腔的厚度,從而對應的吸收峰位置也會發生變化,結果如圖7 所示。

圖7 光柵位置對吸收率的影響Fig.7 Effect of grating ordinate on absorption efficiency

圖7 中y=0 的位置為模型光柵置于金屬反射層的頂部,隨著y值的增大,光柵逐漸上移,y=0.2 時,光柵底部位于吸收層下表面處,y=0.4 時,光柵底部位于鈍化層下表面處,以此類推。隨著光柵位置的下移,整個模型的吸收波形逐漸紅移,且紅移過程同樣伴隨吸收峰的下降。

3.3 優化結果

根據前文分析結果可知,光柵各參數可以有效改變傳感器的紅外吸收情況,而VOx的厚度能夠改變吸收峰的位置。

考慮大氣窗口的存在,在波長3～5 μm 范圍內,吸收率最大的情況如圖8 所示。

由圖8 中結果可以看到,相比不含光柵時的曲線,優化后的模型曲線存在明顯變化,優化后的模型存在兩個吸收峰,而不含光柵的模型只有一個略低的吸收峰存在。

圖8 波長3～5 μm 時的優化模型曲線圖Fig.8 Absorption curves of optimized model when the wavelength is 3-5 μm

優化后的模型參數為:光柵位于VOx吸收層內,下表面距離鈍化層底部約100 nm,光柵周期為3 μm,占空比0.5,光柵厚度15 nm。

在波長4 μm 時,吸收率接近100%,此時的電場分布情況如圖9 所示。

圖9 波長4 μm 時優化后模型的電場分布圖Fig.9 Electric field distribution diagram of optimized model when the wavelength is 4 μm

在8～14 μm 波長范圍內的優化結果如圖10 所示。

圖10 波長8～14 μm 的優化模型曲線Fig.10 Absorption curves of optimized model when the wavelength is 8-14 μm

此時,含有光柵結構與不含光柵結構的模型相差更為明顯,無光柵結構的吸收效率低于20%,而本文優化后結果在該波段內存在三個吸收峰,這三個吸收峰均為模型調制的結果。

改進后的模型參數為:光柵底表面位于VOx吸收層的底表面處,距離反射層頂的縱向距離約為400 nm,光柵周期8 μm,占空比0.8,光柵厚度10 nm。

在波長為10 μm 時,模型中的電場分布情況如圖11 所示。

圖11 波長為10 μm 時優化后模型的電場分布圖Fig.11 Electric field distribution diagram of optimized model when the wavelength is 10 μm

4 結論

本文研究了一種基于表面等離激元超材料的紅外非制冷熱傳感器結構,通過銀材料光柵的增加,有效提高模型對于紅外光的吸收能力,并通過光柵參數和結構參數的調整,使得模型在大氣窗口3～5 μm 和8～14 μm波長范圍內,具有最大的紅外吸收率,通過實驗結果對比,本文改進后的模型大幅提高了紅外吸收率。同時由于二維結構的制作相比三維結構難度更低,更有利于結構的市場化,為紅外非制冷傳感器的發展提供一個思路。該結構使紅外探測器在中紅外波段和遠紅外波段具有較好的吸收效果,其結構有潛力應用于紅外表面隱身、紅外熱輻射測量以及其他能量收集領域。