阅读说明：本技术 一种横向mimi格点阵等离激元共振吸收器 (Transverse MIMI lattice plasmon resonance absorber ) 是由 肖功利 杨文琛 薛淑文 杨宏艳 杨寓婷 张开富 李海鸥 于 2020-05-17 设计创作，主要内容包括：一种横向MIMI格点阵等离激元吸收器。由折射率为1.52的介质基底和以MIMI结构基本单元进行周期性排列形成的横向MIMI格点阵列构成,MIMI结构基本单元是由两列银长方体块和两列二氧化硅长方体块交替堆积形成,每列长方体块的长度和高度完全相同,垂直竖立在介质基底的上表面。整个结构放置在均匀的介质环境中,入射平面光波的入射方向即波矢k与介质基底的上表面垂直,入射光的电场方向平行于银长方体块和二氧化硅长方体块的长,入射光的磁场方向平行于银长方体块和二氧化硅长方体块的宽。通过两种不同的共振形式在吸收光谱上产生两个窄的共振吸收峰,且对介质环境折射率的变化具有很高的灵敏度,在生物化学物质检测领域具有很高的应用价值。(A lateral MIMI lattice plasmon absorber. The MIMI structure is composed of a dielectric substrate with the refractive index of 1.52 and a horizontal MIMI lattice point array formed by periodically arranging MIMI structure basic units, wherein the MIMI structure basic units are formed by alternately stacking two rows of silver cuboid blocks and two rows of silicon dioxide cuboid blocks, the length and the height of each row of cuboid blocks are completely the same, and the MIMI structure basic units are vertically erected on the upper surface of the dielectric substrate. The whole structure is placed in a uniform medium environment, the incident direction of incident plane light waves, namely the wave vector k, is vertical to the upper surface of the medium substrate, the electric field direction of the incident light is parallel to the lengths of the silver cuboid blocks and the silicon dioxide cuboid blocks, and the magnetic field direction of the incident light is parallel to the widths of the silver cuboid blocks and the silicon dioxide cuboid blocks. Two narrow resonance absorption peaks are generated on an absorption spectrum through two different resonance forms, and the method has high sensitivity to the change of the refractive index of the medium environment and has high application value in the field of biochemical substance detection.)

一种横向MIMI格点阵等离激元共振吸收器

(一)技术领域

本发明属于微纳光学技术领域，具体是由两列银纳米长方体块和两列二氧化硅纳米长方体块交替堆积形成的一种以横向MIMI为基本结构单元的格点阵等离激元共振吸收器。

(二)背景技术

伴随着微纳光学和微电子加工工艺的不断发展与进步，表面等离激元已经引起了越来越多研究人员的注意，它一般被描述为金属表面自由电子集体振荡形成的强烈束缚于金属表面并在其上传播的表面波，产生于金属—介质界面，其光场强度在界面处最大，沿垂直于界面的方向以指数形式衰减。这一现象能够克服传统光学受制于光的衍射极限所遇到的瓶颈，因为它可以把光控制在一个极小的纳米尺寸范围内，这在集成光子器件，全光通信，生物传感，生物医学，新能源等领域的发展发挥至关重要的作用。随着各种微纳米加工及结构表征技术的不断发展和成熟，研究人员除了通过在理论计算和数值仿真上设计出许多基于表面等离激元的高性能光电器件，也可以在实验上轻易制备和表征各种复杂的金属纳米结构。通过研究各种金属结构中表面等离激元的性质来揭示其基本原理，同时不断发现新的应用领域，已成为表面等离激元学发展的趋势。

近十年以来的不断研究已经出现了各种各样的表面等离激元激发形式，尤其是依托于等离激元学中的等离激元格点共振(SLRs)技术，因为在SLRs中一个纳米颗粒相关的电磁场特性可以起到影响相邻纳米颗粒响应的作用，可以显著改善局域等离激元共振的品质因数和光谱特性。人们利用它对介质环境的敏感性和局域场的增强性已经制造出各种高灵敏、小型化、反应迅速的生化传感器，已经被广泛应用在生物样品和化学物质检测领域。

近年来，许多基于等离激元格点共振的吸收器被提出并加以研究，而本发明专利提出了一种横向MIMI格点阵等离激元共振吸收器，本横向MIMI格点阵等离激元共振吸收器与其它基于等离激元的吸收器相比有非常高的品质因数和吸收系数，更重要的是它在正入射的平面光波下通过SLRs中两种不同的共振激发形式OLP和ILP在吸收光谱上产生两个吸收峰，通过改变基本结构单元的几何参数能够很好地实现静态调谐，而且对介质环境具有很高的灵敏性，在生化传感领域具有很高的应用价值。

(三)

发明内容

本发明的目的是设计一种横向MIMI格点阵等离激元共振吸收器，在原有的结构基础上进一步研究其几何参数和介质环境对其共振吸收峰的影响，不断寻找和探索其在传感和通信等领域的应用价值。通过改变银纳米长方体块和二氧化硅长方体块的高度、长度、宽度等尺寸和所处的介质环境折射率等参数，可以发现此结构能够有效地调节本横向MIMI格点阵等离激元共振吸收器的吸收系数、品质因数、共振波长等性能。

本发明设计的一种横向MIMI格点阵等离激元共振吸收器，主要由介质基底和具有周期性排列的MIMI长方体块构成，MIMI长方体块由两个银长方体块和两个二氧化硅长方体块交替横向堆砌为一组构成一个MIMI基本单元，每列长方体块的长度和高度完全相同，垂直竖立在介质基底的上表面，每个MIMI基本单元在介质基底上表面沿水平相互垂直的X轴和Y轴成相同的周期排列分布构成一种横向MIMI格点阵列，整个结构放置在一个均匀的介质环境中，入射光为平面波，光源在整个结构的正上方且入射方向即波矢k与介质基底上表面垂直，入射光的电场方向平行于银长方体块和二氧化硅长方体块的长。透射光从MIMI格点阵列下方射出，反射光从MIMI格点阵列上方射出。

所述每个MIMI基本单元中银长方体块和二氧化硅长方体块的高度可以任意符合横向MIMI格点阵等离激元吸收器工作条件的高度，为了获得最佳特性，采用银长方体块和二氧化硅长方体块的高度均为180nm。

所述每个MIMI基本单元中银长方体块和二氧化硅长方体块的长度可以任意符合横向MIMI格点阵等离激元吸收器工作条件的长度，为了获得最佳特性，采用银长方体块和二氧化硅长方体块的长度为230nm。

所述每个MIMI基本单元中外侧银长方体块的宽度可以任意符合横向MIMI格点阵等离激元吸收器工作条件的宽度，为了获得最佳特性，采用外侧银长方体块宽度为40nm。

所述每个MIMI基本单元中内侧银长方体块的宽度可以任意符合横向MIMI格点阵等离激元吸收器工作条件的宽度，为了获得最佳特性，采用内侧银长方体块宽度为40nm。

所述每个MIMI基本单元中外侧二氧化硅长方体块的宽度可以任意符合横向MIMI格点阵等离激元吸收器工作条件的宽度，为了获得最佳特性，采用外侧二氧化硅长方体块宽度为50nm。

所述横向MIMI格点阵列的周期可以任意符合横向MIMI格点阵等离激元吸收器工作条件的周期，为了获得吸收器的最佳特性，采用横向MIMI格点阵列沿着每个MIMI基本单元中银长方体块和二氧化硅长方体块长方向上和宽方向上的周期均为400nm。

所述介质基底材料可以任意符合横向MIMI格点阵等离激元吸收器工作条件的材料，为了获得吸收器的最佳特性，使用折射率n₁＝1.52的介质为基底材料，并将该横向MIMI格点阵等离激元共振吸收器置于空气或真空中。

与现有的等离激元吸收器相比，本发明的优点为：1.在正入射的平光波的激发下，本横向MIMI格点阵等离激元共振吸收器在吸收光谱上存在两个共振吸收峰，分别是由OLP和ILP两种激发形式产生，因而应用在传感领域时可以增大对光源带宽的适用范围和提供更高的传感准确性2.通过改变银长方体块和二氧化硅长方体块的几何参数和介质环境的折射率n₂可以静态改变两个共振吸收峰的波长、带宽、吸收率以及品质因数。3.吸收光谱上的两个共振吸收峰均具有很高的品质因数，而且两个共振吸收峰波长随介质环境折射率n₂的变化具有很高的灵敏性4.相比其它等离激元吸收器，本横向MIMI格点阵等离激元吸收器具有共振波长能够在可见光到近红外波段进行灵活调节的特点。5.因为在X轴和Y轴方向具有相同的周期，而且每个MIMI基本单元结构简单，同时也具备加工容易的特点。

(四)附图说明

图1为本横向MIMI格点阵等离激元吸收器的三维立体结构示意图。

图2为本横向MIMI格点阵等离激元吸收器的每个MIMI基本单元的二维结构XZ面示意图。

图3为本横向MIMI格点阵等离激元吸收器的每个MIMI基本单元的二维结构YZ面示意图。

图4为本横向MIMI格点阵等离激元吸收器的每个MIMI基本单元的二维结构XY面示意图。

图5为本横向MIMI格点阵等离激元吸收器工作在最佳时得到的反射、透射、吸收三条光谱图。

图6为每个MIMI基本单元中银长方体块和二氧化硅长方体块的长度a＝170nm～230nm范围内变化时得到的本横向MIMI格点阵等离激元吸收器的吸收光谱图。

图7为每个MIMI基本单元中银长方体块和二氧化硅长方体块的高度h＝180nm～240nm范围内变化时得到的本横向MIMI格点阵等离激元吸收器的吸收光谱图。

图8为每个MIMI基本单元中内侧银长方体块的宽度w₂＝30nm～60nm范围内变化时得到的本横向MIMI格点阵等离激元吸收器的吸收光谱图。

图9为每个MIMI基本单元中内侧二氧化硅长方体块的宽度d₁＝40nm～70nm范围内变化时得到的本横向MIMI格点阵等离激元吸收器的吸收光谱图。

图10为本横向MIMI格点阵等离激元吸收器置于不同的介质环境n₂＝1.0～1.4中时得到的本横向MIMI格点阵等离激元吸收器的吸收光谱图。

(五)

具体实施方式

下面结合附图及本实施方案对本发明作进一步解释说明：

图1所示为本横向MIMI格点阵等离激元吸收器的三维立体结构示意图。包括折射率n₁＝1.52的介质基底5，介质基底的厚度符合工作条件即可，1与3分别是MIMI基本单元中的外侧银长方体块和内侧银长方体块，4与2分别是MIMI基本单元中的外侧二氧化硅长方体块和内侧二氧化硅长方体块。入射光为平面波，波矢k与Z轴平行沿着负方向垂直正入射到本横向MIMI格点阵等离激元吸收器，且入射光的偏振方向(电场方向)垂直于波矢k在XZ平面内平行于Y轴，磁场方向平行于X轴。

图2所示为本横向MIMI格点阵等离激元吸收器的每个MIMI基本单元的二维结构XZ面示意图，工作在最佳时，其中每个MIMI基本单元在介质基底上方沿着X轴方向排列的周期为D＝400nm，外侧银长方体块1的宽度为w₁＝40nm，内侧银长方体块3的宽度为w₂＝40nm，外侧二氧化硅长方体块4的宽度为d₂＝50nm，内侧二氧化硅长方体块2的宽度为d₁＝50nm，整个结构竖立垂直地排列在介质基底的上表面。

图3为本横向MIMI格点阵等离激元吸收器的每个MIMI基本单元的二维结构YZ面示意图，工作在最佳时，其中每个MIMI基本单元在介质基底上方沿着Y轴方向排列的周期为T＝400nm，银长方体块与二氧化硅长方体块的高度均为h＝180nm。

图4为本横向MIMI格点阵等离激元吸收器的每个MIMI基本单元的二维结构XY面示意图，工作在最佳时,银长方体块与二氧化硅长方体块的长度均为a＝230nm。

本发明工作时：入射的平面光波的偏振方向(电场方向)在XZ平面内平行于Y轴，磁场方向平行于X轴，并且波矢方向k与Z轴平行并沿着Z轴负方向正入射。入射的平面光波会在横向MIMI格点阵列中同时激发电偶极子和四偶极子两种类型的等离激元格点共振，相邻的两个银长方体块之间会产生两种不同的强共振耦合效应，在特定的结构参数下就会对入射光产生两个不同的特定吸收峰，并且相比于与其它基于周期阵列的等离激元吸收器具有很高的品质因数和吸收系数。改变银长方体块和二氧化硅长方体块的结构参数或将本横向MIMI格点阵等离激元吸收器置于不同的介质环境中可以改变两个共振吸收峰的偏移和吸收系数，利用这一特点可以实现本横向MIMI格点阵等离激元吸收器的静态调谐或应用在化学物质检测和生物传感领域。图5所示为本横向MIMI格点阵等离激元吸收器工作最佳时的光谱图，图中的横坐标表示入射平面光的波长，纵坐标表示对入射平面光波的反射系数、透射系数、吸收系数，三条曲线分别代表本横向MIMI格点阵等离激元吸收器对入射平面光波的反射谱线R(Reflectance)、透射谱线T(Transmittance)、吸收谱线A(Absorbance)，且三者的关系为A＝1-T-R。通过吸收谱线可以看出，本横向MIMI格点阵等离激元吸收器的两个吸收峰具有非常窄的带宽，分别位于λ₁＝790nm和λ₂＝1124nm，两条吸收峰均有非常高的品质因数，而且在λ₁＝790nm处的共振吸收峰的吸收系数高达0.94。

本发明的工作思路是：在结构参数固定和初始值的条件下进行展开工作。①当每个MIMI基本单元中的银长方体块和二氧化硅长方体块的长度a＝170nm～230nm范围内变化时，所得出的吸收光谱结果如图6所示；②当每个MIMI基本单元中的银长方体块和二氧化硅长方体块的高度h＝170nm～240nm范围内变化时，所得出的吸收光谱结果如图7所示；③当每个MIMI基本单元中的内侧银长方体块的宽度w₂＝30nm～60nm范围内变化时，所得出的吸收光谱结果如图8所示；④当每个MIMI基本单元中的内侧二氧化硅长方体块的宽度d₁＝40nm～70nm范围内变化时，所得出的吸收光谱结果如图9所示；⑤当本横向MIMI格点阵等离激元吸收器置于n₂＝1.0～1.4不同的介质环境中时，所得出的吸收光谱结果如图10所示。

下面结合本例实施方式，通过对本横向MIMI格点阵等离激元吸收器仿真验证，得出以下结果：

图6为每个MIMI基本单元中的银长方体块和二氧化硅长方体块的长度a＝170nm～230nm范围内变化时所得到的吸收光谱图。图中的横坐标表示平面光的入射波长，纵坐标表示对入射平面光波的吸收系数，在图中四组不同的吸收光谱曲线分别为每个MIMI基本单元中的银长方体块和二氧化硅长方体块不同长度时的仿真结果，其长度a分别为170nm、190nm、210nm、230nm。由图中的结果可见，随着长度a的增加，本横向MIMI格点阵等离激元吸收器的两条吸收峰均逐渐红移，并且左边吸收峰的吸收系数逐渐增加，由0.84增加到0.94，共振峰波长λ₁由688nm增加到760nm。右边吸收峰的吸收系数缓慢减小，由0.38减小到0.34，共振峰波长λ₂由894nm增加到1124nm。

图7为每个MIMI基本单元中的银长方体块和二氧化硅长方体块的高度h＝180nm～240nm范围内变化时所得到的吸收光谱图。图中横坐标和纵坐标的表示与图6相同，在图中四组不同的吸收光谱曲线分别为每个MIMI基本单元中的银长方体块和二氧化硅长方体块不同高度时的仿真结果，其高度h分别为180nm、200nm、220nm、240nm。由图中的结果可见，随着高度h的增加，本横向MIMI格点阵等离激元吸收器左边的吸收峰逐渐红移，并且左边吸收峰的吸收系数逐渐减小，由0.94减小到0.75，共振峰波长λ₁由760nm增加到840nm。而右边的吸收峰稍稍蓝移，且吸收峰值几乎不发生变化。

图8为每个MIMI基本单元中内侧银长方体块的宽度w₂＝30nm～60nm范围内变化时所得到的吸收光谱图。图中横坐标和纵坐标的表示与图6相同，在图中四组不同的吸收光谱曲线分别为每个MIMI基本单元中内侧银长方体块不同宽度时的仿真结果，其宽度w₂分别为30nm、40nm、50nm、60nm。由图中的结果可见，随着宽度w₂的增加，本横向MIMI格点阵等离激元吸收器的两条吸收峰均逐渐蓝移，并且左边吸收峰的吸收系数先增大后减小，由0.85增加到0.97然后减小到0.76，共振峰波长λ₁由790nm减小到738nm。右边吸收峰的吸收系数逐渐减小，由0.44减小到0.15，共振峰波长λ₂由1150nm减小到1104nm。

图9为每个MIMI基本单元中内侧二氧化硅长方体块的宽度d₁＝40nm～70nm范围内变化时所得到的吸收光谱图。图中横坐标和纵坐标的表示与图6相同，在图中四组不同的吸收光谱曲线分别为每个MIMI基本单元中内侧二氧化硅长方体块不同宽度时的仿真结果，其宽度d₁分别为40nm、50nm、60nm、70nm。由图中的结果可见，随着宽度d₁的增加，本横向MIMI格点阵等离激元吸收器的两条吸收峰均逐渐蓝移，并且左边吸收峰的吸收系数逐渐减小，由0.95减小到0.75，共振峰波长λ₁由782nm减小到736nm。右边吸收峰的吸收系数逐渐增加，由0.29增加到0.38，共振峰波长λ₂由1158nm减小到1088nm。

图10为本横向MIMI格点阵等离激元吸收器置于不同的介质环境n₂＝1.0～1.4中时得到的本横向MIMI格点阵等离激元吸收器的吸收光谱图。图中横坐标和纵坐标的表示与图6相同，在图中四组不同的吸收光谱曲线分别为本横向MIMI格点阵等离激元吸收器置于不同介质环境时的仿真结果，其介质环境的折射率n₂分别为1.0、1.1、1.2、1.3、1.4。由图中的结果可见，随着介质环境的折射率n₂的增加，本横向MIMI格点阵等离激元吸收器的两条吸收峰均逐渐红移并且吸收系数逐渐减小，左边吸收峰的吸收系数逐渐由0.94减小到0.68，共振峰波长λ₁由760nm增加到860nm。右边吸收峰的吸收系数逐渐由0.35减小到0.07接近消失，共振峰波长λ₂由1124nm增加到1268nm。两条吸收峰均对介质环境折射率的变化具有很强的敏感性，并且都具有很好的线性度，左边λ₁处的吸收峰对介质环境折射率的敏感程度高达261nm/RIU，而右边λ₂处的吸收峰对介质环境折射率的敏感程度高达230nm/RIU。这一特性在生物化学物质检测领域作为高灵敏传感器具有很高的应用价值，尤其它同时具备两个高品质因数的吸收峰，可以很好地提高检测结果的正确性和降低对入射平面光波的带宽要求。

上述实施方式，仅为本发明的技术方案和目的进一步的具体解释说明，并非用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的公开的范围之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。