一种增强纳米狭缝透射效率的微纳结构制造技术

一种用于增强纳米狭缝透射效率的微纳结构，其特征在于该结构由带狭缝的金属膜、介质隔层、周期金属条结构组成。在入射波长９９０＜λ＜１０２８纳米和入射角－０．６°＜θ＜０．６°的范围内，该装置的透射效率可以达到１５０倍。特别是金属膜厚度为２５０纳米、狭缝宽度为５０纳米、介质隔层厚度为１９０纳米、狭缝正上端金属条宽５５０纳米、金属条周期为６７５纳米、金属条槽宽为２００纳米、金属条厚度为９０纳米时，透射效率可以达到２０６倍。

【技术实现步骤摘要】

本专利涉及纳米光刻、超高密度数据存储、近场光学等领域，特别是一种1000纳 米波长的增强纳米狭缝透射效率(注狭缝透射效率n定义为透过狭缝的沿狭缝方向的总 能量 τ与狭缝相同面积的入射光能量Ttl之比，S卩η =17%)的微纳结构装置。
技术介绍
目前，人类正处于信息时代，信息总量正在迅速增加，这对信息的存储、信息的处 理提出了更高的要求。面对如此巨大的信息量，要求存储器件更小、存储量更大、处理速度 更快。增强纳米狭缝透射效率的金属微结构装置是未来纳米光刻、超高密度数据存储、近场 光学等
的关键元件，该结构可以极大地提高入射光的透射效率，将在未来的信息 技术革新中起到重要的作用。在纳米狭缝增透的应用中，通常要求透射效率高、结构简单、易加工。普通的纳米 狭缝入射光很难透过狭缝传输，透射效率极低，无法满足纳米光刻、高密度数据存储等的应 用要求。1998 年 Ebbesen 等人在先技术 1 =Ebbesen Tff et al.，1998Nature 391667通过 实验发现透过金属膜表面的纳米孔具有透射增强现象，2002年该小组在先技术2 =Lezec HJ et al. ,Science 2002 297 820又发现透过金属膜表面的纳米狭缝同样也存在透射增强现 象。研究表明，金属纳米孔和纳米狭缝的透射增强现象是由入射光光子与金属表面的一种表面 等离子体相互耦合，产生表面等离子体激元的混合激发态，并形成表面等离子体共振在先技 术1及法_泊腔共振在先技术3 =Takakure Y，200IPhys. Rev. Lett. 865601弓丨起的。利用TM偏振光入射到周期金属结构表面激发表面等离子体，将入射光耦合到金 属周期结构与金属膜之间的介质隔层中，并通过调节金属膜厚度使狭缝满足法-泊腔共 振，可以极大地提高纳米狭缝的透射效率。增强纳米狭缝透射效率的金属微结构是制作纳 米狭缝增透的理想装置，具有重要的应用前景。随着微加工技术的不断进步，目前已可制作 尺度小于50纳米、加工精度小于士5纳米的金属微纳结构。对金属微纳结构电磁特性的计 算分析必须采用矢量电磁理论，矢量电磁理论是基于麦克斯韦方程在相应边界条件下，通 过计算机仿真进行精确地求解。Moharam等人已给出了基于矢量电磁理论的严格耦合波算 法在先技术4 :Moharam MGet al.，1995 J. Opt. Soc. Am. A 12 1077，可以解决这类金属微 纳结构的电磁场问题。金属微纳结构是利用纳米压印、反应离子辅助刻蚀、物理溅射技术、 聚焦离子束和电子束曝光等技术，在基底上加工出微纳尺度的金属微结构。Janssen OTA 等人已给出了单金属的纳米狭缝增透结构在先技术5 Janssen OTA et al. , Phys. Rev. Lett. 200799043902，但透射效率较低(η =94)。Cui YX等人在先技术6 :Cui YX et al. ,J. Opt. Soc. Am. B 2009262131还给出了纳米腔天线阵列的金属纳米狭缝增透结构，但 没有将金属条周期与表面等离子体波长相匹配，狭缝不能达到最大的透射效率，且金属条 为悬空结构，加工难度大。据我们所知，目前没有人针对1000纳米波段给出金属条周期与 表面等离子体波长匹配的增强纳米狭缝透射效率的金属/介质多层复合结构。因此能够实 现易加工的、具有高透射效率的纳米狭缝微纳结构，具有重要的实用意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种新型的增强纳米狭缝透射效率的微纳结构装置，该装置可以增强TM偏振光在纳米狭缝中的透射效率，在-0.6° < θ <0.6°的入射角及990< λ < 1028纳米的入射光波长范围内，透射衍射率均高于150倍。本专利技术的增强纳米狭缝透射 效率的微纳结构具有透射效率高、易加工的特点。本专利技术的技术解决方案如下—种用于增强纳米狭缝透射效率的微纳结构，其特征在于该结构的金属膜厚度为 225-275纳米、介质隔层厚度为130-240纳米、金属条周期为665-685纳米。所述的增强纳米狭缝透射效率的微纳结构的金属膜厚度为250纳米、狭缝宽为50 纳米、介质隔层厚度为190纳米、狭缝正上端金属条宽为550纳米、金属条周期为675纳米、 金属条槽宽200纳米、金属条厚度为90纳米，金属条周期数N = 12。本专利技术的依据如下图1显示了增强纳米狭缝透射效率的金属复合装置的几何结构。该结构分为带狭 缝的金属膜层、介质隔层和金属调制层。本例金属膜和金属条为金属银，介质隔层为熔融石 英(折射率 =1.45)。TM偏振的线性偏振平面波垂直入射到金属调制层，通过金属条周 期与表面等离子体波长的匹配可以使较宽范围内的入射光最大限度地转变为表面等离子 体波，并透过金属狭缝传输。在如图1所示的增强纳米狭缝透射效率的微纳结构下，本专利技术采用严格耦合波法在先技术4计算了该结构的金属条周期、介质隔层厚度和金属膜厚度随纳米狭缝透射效 率变化的关系，分别如图2、3、4所示。依据理论计算得到高透射效率纳米狭缝微纳结构的 优化参数，即当金属膜厚度为225-275纳米、介质隔层厚度为130-240纳米、金属条周期为 665-685纳米时，狭缝透射效率高于150倍。特别是金属膜厚度t = 250纳米、狭缝宽度Ws =50纳米、介质隔层厚度d = 190纳米、狭缝正上端金属条宽L = 550纳米、金属条周期Λ =675纳米、金属条槽宽wg = 200纳米、金属条厚度为h = 90纳米，金属条周期数N = 12 时，可以使狭缝透射效率达到206倍。如图5所示，入射角θ =0°，狭缝宽度ws = 50纳米，优化槽深h = 90纳米，金 属条周期Λ = 675纳米，金属条槽宽Wg = 200纳米，介质隔层厚度d = 190纳米，金属膜 厚度t = 250纳米，狭缝正上端金属条宽度L = 550纳米时，金属条周期数N = 12，该增强 纳米狭缝透射效率的金属/介质微纳结构在入射波长990纳米< λ < 1028纳米的范围内 所有入射光的狭缝透射效率高于150倍，即对应38纳米的波长带宽。如图6所示，入射波长λ < 1000纳米，狭缝宽度Ws = 50纳米，优化槽深h = 90 纳米，金属条周期Λ = 675纳米，金属条槽宽Wg = 200纳米，介质隔层厚度d = 190纳米， 金属膜厚度t = 250纳米，狭缝正上端金属条宽度L = 550纳米时，金属条周期数N = 12， 该增强纳米狭缝透射效率的金属/介质微纳结构在入射角度-0.6° < θ <0.6°的范围 内所有入射光的狭缝透射效率高于150倍，即对应有士0. 6°的角度变化适应范围。附图说明图1为本专利技术增强纳米狭缝透射效率的金属复合装置的几何结构。图2为本专利技术增强纳米狭缝透射效率的微纳结构在狭缝宽度Ws = 50纳米，优化槽深h = 90纳米，介质隔层厚度d = 190纳米，金属膜厚度t = 250纳米，金属条槽宽Wg = 200纳米，金属条周期数N= 12时，狭缝透射效率随金属条周期的变化曲线，入射波长λ = 1000纳米，垂直入射。图3为本专利技术增强纳米狭缝透射效率的微本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于增强纳米狭缝透射效率的微纳结构，其特征在于该结构由带狭缝的金属膜、介质隔层及周期金属条结构组成，金属膜厚度为２２５－２７５纳米、介质隔层厚度为１３０－２４０纳米、金属条周期为６６５－６８５纳米。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵华君，袁代蓉，
申请(专利权)人：重庆文理学院，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]