王 朝,張 軼,王 晗,安澤琳,王 超,王如志

(1.北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部,新能源材料與技術(shù)研究所,新型功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124;2.華北光電技術(shù)研究所,北京100015)

1 引 言

在紅外探測方面,紅外光的透過率對紅外探測器性能其決定性作用,如何提高紅外探測器上光子的吸收率是目前紅外探測技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)[1-3]。傳統(tǒng)上提高光學(xué)元件透射率的方式是在光學(xué)元件表面上覆蓋一層甚至多層減反膜來增加光的透射率,從而達(dá)到抑制反射損耗提高光學(xué)元件的透射率[4-6]。但由于增透減反膜與涂層材料存在物理化學(xué)性質(zhì)的限制,存在粘附性、熱失配和穩(wěn)定性不足等問題[7],如何降低光學(xué)元件的反射率提高光的透射率,具有非常重要的研究價(jià)值和科學(xué)意義。

光子晶體是在光學(xué)表面直接加工微納結(jié)構(gòu)[8],從而達(dá)到增透性能,該方式能夠具有更好的穩(wěn)定性和耐久性,并且具有更多的可協(xié)調(diào)參數(shù)例如特征高度、幾何形狀和陣列周期等,具有更優(yōu)秀的靈活性,并且能夠在寬光譜大角度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)增透,具有超強(qiáng)親水性和自清潔能力[9,10]。經(jīng)歷了30多年的發(fā)展光子晶體被認(rèn)為是一種非常有效的增透結(jié)構(gòu),通過刻蝕得到的周期性陣列結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)在一定波段的增透效果[11,12]。光子晶體的設(shè)計(jì)來源期初來源于仿生學(xué),1962年,C.G.Bernhard與W.H.Mille等人發(fā)現(xiàn)一些昆蟲的復(fù)眼結(jié)構(gòu)具有增透性質(zhì)[13],1973年W.H.Mille團(tuán)隊(duì)成功制作出類似于蛾眼的類光子晶體結(jié)構(gòu)[14],發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)能有效的增強(qiáng)透射光,隨后人們對光子晶體微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了不斷拓展與深入研究[15]。2017年,張東亮等人設(shè)計(jì)了陷光型光子晶體,使得碲鎘汞探測器量子效率提升了近20 %[16]。2019年,李巖等人設(shè)計(jì)了雙周期嵌套微結(jié)構(gòu)在2.4～12 μm的超寬波長范圍內(nèi)透射率均高于96.5 %,在中長波實(shí)用波段范圍內(nèi)平均透射率高于99 %[17]。2021年,林曉敏等人設(shè)計(jì)了單層金屬線柵結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了在中波紅外3～5 μm波段的透射率為89.1 %,同年楊勇等人設(shè)計(jì)了一種新型苞狀蛾眼光子晶體結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了在3～12 μm波段的透射率高達(dá)99.8 %[18]?？上У氖悄壳肮庾泳w結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制備難度高;一些復(fù)雜的光子晶體設(shè)想來源于仿生學(xué),對設(shè)計(jì)新型光學(xué)晶體借鑒性低。

基于此,本文探究了以ZnS材料為研究對象的幾種常見幾何結(jié)構(gòu),如長方體、圓柱、六棱柱和金字塔在紅外波段8～10 μm的透射率,并探究了其尺寸變化對透射率的影響。設(shè)計(jì)了一種金字塔陣列結(jié)構(gòu),金字塔單元與相鄰金字塔單元間隙在一定范圍內(nèi),平均光透射率在98 %以上,最后探究了不同HgCdTe厚度和不同溫度環(huán)境下對ZnS光子晶體透射率的影響。本文將為設(shè)計(jì)光子晶體和光學(xué)器件設(shè)計(jì)提供一定的借鑒意義。

2 光子晶體增透率計(jì)算原理與模型構(gòu)建

2.1 光子晶體增透率計(jì)算原理

本文光子晶體仿真使用了時(shí)域有限差分法(FDTD)[19],從麥克斯韋方程出發(fā)并借助吸收邊界條件,在有限的區(qū)域內(nèi)模擬求解空間的電磁場問題。從麥克斯韋方程組中兩個(gè)旋度方程出發(fā):

(1)

(2)

當(dāng)介質(zhì)為各向同性時(shí),用σm表示等效磁阻率,則:

(3)

此時(shí),麥克斯韋旋度方程可以在直角坐標(biāo)系中展開為:

(4)

(5)

對式(4)和式(5)這兩組方程進(jìn)行差值離散,對電磁場的各分量的空間節(jié)點(diǎn)和時(shí)間步按約定取值,并采用平均值近似,即可求解所有電場和磁場分量關(guān)于時(shí)間和空間的差分形式。

2.2 光子晶體仿真模型構(gòu)建

在光學(xué)元件表面制備周期性光子晶體并對其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,所建立的單元微結(jié)構(gòu)尺寸相同,當(dāng)一束平行光入射至光學(xué)元件表面時(shí),各微結(jié)構(gòu)所發(fā)生的光學(xué)效應(yīng)完全一致,因此提出對單一微結(jié)構(gòu)分析以反應(yīng)出元件整體的性質(zhì)。本文采用的光子晶體模型如圖1所示(以正方體光子晶體結(jié)構(gòu)為例),設(shè)定X和Y方向周期性(Periodic),將設(shè)計(jì)光子晶體陣列問題轉(zhuǎn)化為仿真單個(gè)光子晶體元件。仿真區(qū)域的各種結(jié)構(gòu)如圖1中的標(biāo)注所示,包括仿真區(qū)域、光源、光子晶體、基底材料和監(jiān)視器。

圖1 光子晶體仿真模型示意圖

仿真參數(shù)設(shè)定如表1所示,監(jiān)視器在光子晶體與基底材料界面向下0.01 μm處,用于測量光子晶體透射率。其他參數(shù)在具體仿真部分再討論。

表1 仿真環(huán)境設(shè)定

本文對ZnS光子晶體進(jìn)行模擬仿真,其介電常數(shù)n= 2.35。探索了幾種常見幾何形狀的光子晶體,設(shè)計(jì)了一種透射率的光子晶體陣列結(jié)構(gòu),最后探究了基底材料HgCdTe厚度和低溫環(huán)境77 K對光子晶體增透效率的影響。探索的光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 研究的光子晶體材料和結(jié)構(gòu)尺寸

3 ZnS光子晶體增透率仿真

本節(jié)中,探究了幾種常見幾何形狀的ZnS光子晶體在紅外長波8～10 μm波段對基底材料HgCdTe的增透作用,HgCdTe襯底厚度為10 μm。

3.1 ZnS長方體光子晶體透射率仿真

ZnS長方體長和寬為4 μm,設(shè)置X和Y方向?yàn)橹芷谶吔?周期為4 μm,即對于長方體光子晶體增透仿真等同于單層ZnS薄膜。ZnS的仿真高度變化范圍為1～10 μm,步長為1 μm。ZnS長方體高度的平均透射率的仿真結(jié)果如圖2所示。ZnS長方體光子晶體厚度為1 μm時(shí)透射率最高,最高平均透射率為92.8 %。隨著長方體厚度增加,透射率出現(xiàn)波動變化,這是由于光在薄膜上發(fā)生干涉現(xiàn)象,隨著薄膜厚度增加,光在相干加強(qiáng)和相干削弱之間變化的結(jié)果。

圖2 仿真模型及光子晶體厚度對平均透射率的影響

3.2 ZnS圓柱體光子晶體透射率仿真

ZnS圓柱體直徑為4 μm,周期范圍4 μm,相比與長方體結(jié)構(gòu)每個(gè)圓柱單元之間有一定的間隙。ZnS圓柱體的仿真高度變化范圍為1～10 μm,步長為1 μm,ZnS圓柱體仿真結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。圓柱體的透射率仿真結(jié)果如圖3(b)所示,其中ZnS圓柱體高度為1 μm時(shí)平均透射率最高,最高平均透射率為95.8 %。相比與正方體結(jié)構(gòu),ZnS圓柱體之間的間隙結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生一定的光陷阱效應(yīng),減少對光的反射,增加透射率。

圖3 仿真模型及光子晶體高度對平均透射率的影響

3.3 ZnS六棱柱體光子晶體透射率仿真

ZnS六棱柱體邊長為2 μm,周期范圍4 μm。ZnS六棱柱體仿真結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示,相比與直徑為4 μm圓柱體結(jié)構(gòu)面積略小,每個(gè)六棱柱單元之間間隙略大一些,六棱柱相對于圓柱體的俯視圖如圖4(a)右上角插圖所示。ZnS六棱柱體的仿真高度變化范圍為1～10 μm,步長為1μm。六棱柱體的平均透射率仿真結(jié)果如圖4(b)所示,ZnS六棱柱體高度為1 μm時(shí)平均透射率最高,最高平均透射率為95.3 %。與圓柱體相比,六棱柱體的透射率整體略低一些。

圖4 仿真模型及光子晶體高度對平均透射率的影響

3.4 ZnS金字塔結(jié)構(gòu)光子晶體透射率仿真

金字塔結(jié)構(gòu)是最常見的光陷阱結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)有較好的增透性,在太陽能電池中有廣泛應(yīng)用。ZnS金字塔底邊邊長為4 μm,周期范圍4 μm。ZnS金字塔仿真結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示,ZnS金字塔的仿真高度變化范圍為1～10 μm,步長為1 μm。ZnS金字塔結(jié)構(gòu)的平均透射率仿真結(jié)果如圖5(b)所示,ZnS金字塔高度為3 μm時(shí)平均透射率最高,最高平均透射率為98.4 %。與長方體、圓柱體和六棱柱體相比,金字塔結(jié)構(gòu)的最佳平均透射率高于其他光子晶體結(jié)構(gòu)。這是由于金字塔結(jié)構(gòu)能多次反射入射光,減少光逃逸出表面的幾率。如果金字塔高度太低,反射光不能反射到相鄰的金字塔上;金字塔高度太高存在光吸收和光干涉等問題。

圖5 仿真模型及光子晶體高度對平均透射率的影響

3.5 ZnS金字塔陣列結(jié)構(gòu)光子晶體透射率仿真

通過探究發(fā)現(xiàn)ZnS金字塔光子晶體的透射率最好。最后我們探究了ZnS金字塔陣列的增透效果。在ZnS金字塔列陣中,ZnS金字塔結(jié)構(gòu)選取上述探索中透射率最高的結(jié)構(gòu)單元,底邊邊長為4 μm,高為3 μm。周期范圍從4 μm逐漸增加到5 μm,步長為0.1 μm。ZnS金字塔陣列的仿真結(jié)構(gòu)如圖6(a)所示,圖中的插圖表示周期邊界的變化情況。ZnS金字塔陣列結(jié)構(gòu)的平均透射率仿真結(jié)果如圖6(b)所示,當(dāng)金字塔之間的間隙為0.1 μm時(shí),平均透射率最大,最大平均透射率為98.45 %。另外金字塔陣列間隙在0～0.5 μm時(shí),平均透射率均在98 %以上,表明在制備該結(jié)構(gòu)陣列時(shí)可以適當(dāng)調(diào)節(jié)金字塔結(jié)構(gòu)單元之間的間隙,實(shí)現(xiàn)工藝上制作方便。當(dāng)金字塔單元之間的間隙大于0.5 μm時(shí),平均透射率逐漸降低,這是由于金字塔之間距離增大導(dǎo)致對二次反射光的捕獲能力減弱。存在一定間隙的陣列結(jié)構(gòu)在微加工技術(shù)上更容易制作,該陣列設(shè)計(jì)為實(shí)驗(yàn)上光子晶體增透設(shè)計(jì)提供了一定的借鑒作用。

圖6 光子晶體陣列模型及陣列間距對平均透射率的影響

4 基底材料HgCdTe厚度和低溫環(huán)境對光子晶體增透效率的影響

本節(jié)探究了基底材料HgCdTe厚度和低溫環(huán)境0K對光子晶體的增透效率的影響。

4.1 基底材料HgCdTe厚度對光子晶體透射率仿真

由于襯底材料HgCdTe的上下表面都會反射光,則HgCdTe厚度對光子晶體的增透效果存在一定影響,探究該問題對HgCdTe材料實(shí)際應(yīng)用有一定促進(jìn)作用。借助于3.5節(jié)ZnS金字塔形狀的光子晶體模型,金字塔高度為3 μm。HgCdTe材料仿真厚度變化范圍為1～10 μm,步長為1 μm,如圖7(a)所示。ZnS金字塔形狀的光子晶體的平均透射率的仿真結(jié)果如圖7(b)所示,隨著HgCdTe材料厚度增加,ZnS光子晶體的增透效果呈現(xiàn)曲折上升。當(dāng)HgCdTe材料厚度大于6 μm時(shí),ZnS金字塔形狀的光子晶體的平均透射率在90 %以上。這是由于隨著HgCdTe材料厚度增加,則HgCdTe對光的吸收率增加,導(dǎo)致HgCdTe對光的反射率減少。

圖7 HgCdTe材料厚度變化及對光子晶體透射率的影響

4.2 低溫環(huán)境對光子晶體增透效率的影響

溫度影響材料的介電常數(shù),從而影響微納結(jié)構(gòu)中光子晶體的透射率。低溫是HgCdTe材料常見的工作溫度,本文借助于第一性原理方法計(jì)算的HgCdTe在0 K下的介電常數(shù)[20],探究溫度對光子晶體的增透效果。借助于3.5節(jié)ZnS金字塔形狀的光子晶體模型,金字塔高度為3 μm,常溫300 K和0 K時(shí)光子晶體的透過率如圖8所示,兩種溫度下光子晶體的透過率趨勢一致;相比與300 K,0K溫度下光子晶體的透過率略低。在實(shí)際工作溫度下,光子晶體的增透效果可能位于兩者這間。

圖8 300 K和0 K溫度下光子晶體的透射率對比圖

5 結(jié) 論

本文探索了ZnS長方體、圓柱體、六棱柱體和金字塔二維光子晶體結(jié)構(gòu)在8～10 μm紅外光的增透效果,最后探索了金字塔陣列之間的間隙對透射率的影響。結(jié)果表明,在X和Y平面周期條件約束下,本文所研究的ZnS長方體、圓柱體和六棱柱高度為1 μm時(shí),平均透射率最大。相比與長方體結(jié)構(gòu),圓柱體和六棱柱體單元結(jié)構(gòu)之間存在一定空隙,存在一定的光陷阱效應(yīng),具有更高的透射率。ZnS金字塔高度為3 μm時(shí),平均透射率為98.4 %,基于該結(jié)果進(jìn)一步探索了金字塔陣列之間間隙距離對透射率的影響。研究表明金字塔之間的間隙在0～0.5 μm內(nèi)平均透射率均在98 %以上。最后探究了基底材料HgCdTe厚度和低溫環(huán)境0 K對光子晶體的增透效率的影響,研究發(fā)現(xiàn),HgCdTe材料厚度增加時(shí),ZnS光子晶體增透效果曲折增加;相比與常溫300 K,0 K溫度下光子晶體的透射率下降3 %。本文的探索為設(shè)計(jì)光子晶體增透膜和工藝上制備提供了一定的借鑒意義。