亚波长孔阵列的太赫兹波异常透射研究

物　理　学　报

ACTAPHYSICASINICA

Vol.58,No.10,October,2009

ν2009Chin.Phys.Soc.

亚波长孔阵列的太赫兹波异常透射研究

王媛媛　张彩虹　马金龙　金飙兵　许伟伟　康　琳　陈　健　吴培亨

(南京大学超导电子学研究所,南京　210093)(2009年2月5日收到;2009年2月12日收到修改稿)

3

󰂍

　　利用太赫兹时域光谱(THz2TDS)系统,在5—300K温区下测量了在厚度约200nm的金属Nb薄膜刻蚀的亚波长圆孔阵列的异常THz波透射情况.实验结果表明,在013—2THz波段,具有亚波长孔阵结构的金属Nb薄膜的异常透射现象波谱的峰位置与CST(computersimulationtechnology)软件仿真模拟的结果一致,峰值随温度降低有逐渐增强的趋势.

关键词:亚波长孔阵列,THz时域光谱技术,异常透射

PACC:3220F,7430G,7490

增大,使得THz波的透射频谱在峰位有增大.

11引言

21实

金属薄膜上的亚波长孔阵的异常光透射现象在近年来引起了人们的广泛关注.这些出现透射增强的波长是由金属材料的参数、小洞的几何形状和排列的周期控制的.这一现象最初被归因于由于入射光和金属表面的自由电子集体震荡之间的相互作用而在金属表面产生的电荷密度波,也就是表面等离

[1—14]

激元(SPP).

另一方面,太赫兹(THz)波的特殊电磁学性质也是学术界研究的焦点.近年来,超快激光技术

[15]

验

本实验使用的是立陶宛Ekspla公司生产的传输

型TDS系统,系统构成如图1所示.激光器是Coherent公司生产的锁模钛蓝宝石激光器,中心波长800nm,脉冲宽度小于100fs,重复频率为82MHz.THz发射器和探测器都是安装在高阻硅半

的发展,为脉冲THz波的产生和探测提供了稳定、可靠的激发光源,并且可以使用THz时域光谱(TDS)技术方便地检测物质的频谱和相位延迟特性.这在很多方面弥补了傅里叶变换红外光谱技术和X射线技术的频宽缺陷注

[23,24]

[16—22]

.近年来,亚波长结

构在太赫兹波段的性质也引起了各方面的广泛关

.

本文利用THz2TDS测量系统,在5—300K温度区域,对具有周期圆孔阵列的金属Nb薄膜的THz波段透射情况进行测量和分析.结果表明,亚波长小孔阵列的异常透射情况与理论计算相符合,Nb薄膜在低温下由于导电率增大,THz波激发的表面电流

图1　低温THz2TDS系统框图

3国家自然科学基金(批准号:10778602,60721063)、国家重点基础研究发展计划(批准号:2006CB601006)和江苏省高校自然科学基金(批准号:BK2007713)资助的课题.

󰂍通讯联系人.E-mail:chenj63@nju.edu.cn

10期王媛媛等:亚波长孔阵列的太赫兹波异常透射研究

6885

球透镜上的GaAs光电导天线.飞秒激光在光路中被分为两路,一路作为抽运光通过时间延迟装置射向发射光导天线激发THz波,另一路作为探测光与THz波同时到达探测光导天线,经过锁相放大,获得较大的输出信号.样品放置在牛津仪器公司生产的光学低温杜瓦中,温度控制范围为5—300K.系统的有效带宽为012—3THz,信噪比大于1000.

因为空气中的水蒸气对THz波有强烈的吸收,为了避免这一影响,本实验中将THz光路置于基本密闭的有机玻璃罩中(见图1),并向罩中连续充入无水纯氮气,使相对湿度保持在3%以下.测量时,

样品置于两聚焦抛物镜之间的中心处,并尽可能与入射光垂直.

样品制备:用微加工技术制备了由圆孔阵列(见图2)构成的样品.首先,在500μm厚度的高阻硅(Si)基片上溅射约200nm厚度的Nb薄膜.样品的基底选择高阻Si基片是因为硅在整个THz波段具有良好的透射特性.然后,利用光刻机在其表面刻蚀小孔,并用反应离子刻蚀技术刻蚀出具有周期结构的圆孔.图2中的两个样品小孔的半径分别为15和20μm,孔阵列的晶格常数分别为60和80μm,样品制备完成后大小约为10mm×10mm.

图2　样品的显微镜照片　(a)样品1,(b)样品2

　　由于THz波在低温杜瓦的窗口之间存在反射,

31数据处理及结果讨论

在测量时,首先在低温系统中测量没有金属结

构的Si基片作为参考信号Er(t),然后再置入待测样品,获得的信号为样品信号Es(t).参考信号和样品信号分别进行快速傅里叶变换(FFT)获得相应的

[1]

传输系数频域谱H^(ω)

H^(ω)=

Es(ω)

.Er(ω)

加之参考信号测量时由于Si基片两表面内部的Fabry2Perot反射产生的低频振荡,在时域信号主脉冲后面会出现明显的回波,如图3所示,因此不可避免地使得测量结果的频谱在低频部分出现振荡.为了消除此回波的影响,在处理数据时,我们采用了对时域信号加窗滤波的方法,滤除主脉冲后面的回波,再进行FFT变换,得到相对平滑的频谱.当参考信号为无结构的Si基片时,传输系数频域谱公式转变

[25]

为如下所示:

(1)

H^(ω)=

cexpiω(ns-1)(ds-d′c2nf(ns+1)expiω(nf-1)dfΠs)Π

,

(1+nf)(nf+ns)+(1-nf)(nf-ns)exp2iωnfdfΠc[25]

(2)

其中,c为光速,nf和ns分别为薄膜和基片的复折

射率,df和ds分别为薄膜和基片的厚度.表面无结构的基片的厚度用d′s表示.在实验测量中,用来测量参考信号的Si基片与有金属表面结构的样品基片取自同一片Si基片,因此,近似认为ds=d′s,(2)

式可简化为

H^(ω)=

2nf(ns+1)exp[iω(nf-1)dfΠc]

.

(1+nf)(nf+ns)+(1-nf)(nf-ns)exp[2iωnfdfΠc]

(3)

6886物　　理　　学　　报58卷

小孔阵列的CST模拟计算结果,点划线为样品的测

量结果.从图中可以看出,样品1在11426和21046THz频点出现明显的共振峰,样品2在11074和11514THz出现明显的共振峰,均与实线绘出的CST模拟峰位结果一致.我们选择样品2进行了低温条件下的测量,图5(b)中,实线为理想金属薄膜小孔阵列的频谱CST模拟结果,圆圈、正三角形、倒三角形、菱形、十字形、正方形曲线分别为5,7,15,100,200,250K下的样品的THz频谱图实验结果.随着样品温度的降低,11074THz位置的透射峰幅值增加,而在11514THz位置,5K条件下的透射率最高.

图3　500μm厚度的Si基片在THz2TDS低温系统中的透射谱信号　(a)时域谱,(b)频域谱

　　同时,由图3中的时域信号和频谱信号可以看出,我们使用的500μm高阻Si基片在不同的温度条件下THz频谱性状稳定,在信号处理加窗的过程中可以直接处理.

为得到金属结构的透射谱的峰的位置,我们在实验前,利用基于时域积分算法(FITD)的数值模拟软件CST计算了样品的透射谱.建模过程中采用Si基片作为基底,按照样品尺寸构建了紧贴Si基片的012μm厚的具有圆孔阵列的金属薄膜,边界条件选择了在样品平面周期性边界,对该模型的S参数进行模拟.

尺寸与样品1和样品2相同的理想金属薄膜上的单个圆孔的透射谱模拟结果见图4(a)和图5(a).对于单个圆孔,其透射谱在013—3THz频段是单调增加的,在我们关注的频谱范围内没有明显的透射峰存在.图4(b)和图5(b)为刻有圆形小孔阵列的Nb薄膜样品的透射谱实验结果和同尺寸小孔阵列

2

2

图4　样品1的透射频谱　(a)单个孔的模拟结果,(b)孔阵列样品在常温下的结果

　　对于亚波长圆孔阵列的异常增强透射,出现增强透射的频率位置可以由以下公式给出

ωext=

Gi,j,neff

[1]

:

(4)

这里的neff是刻有小孔金属薄膜的等效介电常数,

Gi,j=

i+j是亚波长小孔阵列的倒格矢,P是点P

模型CST(computersimulationtechnology)软件模拟结果的比较图,实线为两个样品尺寸下理想金属薄膜阵的空间周期,i和j是正数.将样品1和样品2的透射谱中出现的异常透射的频率相对于最低频率的

10期王媛媛等:亚波长孔阵列的太赫兹波异常透射研究

6887

K,在300K到912K以上区域,电阻随温度降低而

降低.由图4可以看出,随着温度的降低,在11074和11514THz处出现的两个峰的峰值分别都有所增加.原因应当是由于温度的降低使得Nb薄膜的导电率增加,表面电阻减小,表面波强度增加,但是峰的位置是保持不变的.由于实验条件的限制,杜瓦的两个光学窗口没有加载红外滤波等,导致并未能将样品温度降至转变温度以下.包括超导膜等进一步的实验尚在进行中.

图6　样品2的R2T曲线

图5　样品2的透射频谱　(a)单个孔的模拟结果,(b)孔阵列在不同温度下的结果

41结论

位置归一化,由(4)式可以得出最低频率的异常透射

对应着(1,0)模式,则从以上的波数可以得到约1,1140,分别对应G1,0和G1,1.由于Si基片的吸收,使

利用低温THz2TDS系统,测量了低温环境下,Nb薄膜小孔阵列的异常透射现象.实验结果表明,THz频段,亚波长小孔阵列也存在着异常透射现象,

得在高于2THz的频段H^(ω)参数出现明显的波动,因此在这里略去.

同时,由于基片上溅射的金属为Nb,由图6中利用四端子法测量样品2得到的电阻2温度(R2T)曲线可知,样品2的Nb膜超导转变温度TC约为912　　

并且随着温度的降低,Nb的电导率增加,感应电流也随之有增加,异常透射峰也有增强的趋势.这些结果对于研究金属薄膜上亚波长小孔阵列的异常透射现象根本原理有着重要的参考价值.

[1][2][3][4][5][6][7]

EbbesenTW,LezecHJ,GhaemiHF,ThioT,WolffPA1998

Nature391667

[8][9][10][11][12][13]

TangZH,PengRW,WangZ,WuX,BaoYJ,WangQJ,ZhangZJ,SunWH,WangM2007Phys.Rev.B76195405MatsuiT,AgrawalA,NahataA,VardenyZV2007Nature446517

GayG,AlloscheryO,deLesegnoBV,O’DwyerC,WeinerJ,LezecHT2006NaturePhys.2262LiuH,LalanneP2008Nature452728GenetC,EbbesenTW2007Nature44539

Martin2MorenoL,Garcia2VidalFJ,LezecHJ,PellerinKM,ThioT,PendryJB,EbbesenTW2001Phys.Rev.Lett.861114

AltewischerE,vanExterMP,WoerdmanJP2002Nature418304BarnesWL,DereuxA,EbbesenTW2003Nature424824OcelicN,HillenbrandR2004NatureMater.3606

PendryJB,Martin2MorenoL,Garcia2VidalFJ2004Science305847

Bravo2AbadJ,DegironA,PrzybillaF,GenetC,Garcia2VidalFJ,Marlin2MorenolL,EbbesenTW2006NaturePhys.2120BaoYJ,LiHM,ChenXC,PengRW,WangM,LuX,ShaoJ,MingNB2008Appl.Phys.Lett.92151902

6888

[14][15]

物　　理　　学　　报

[21]

58卷

BaoYJ,PengRW,ShuDJ,WangM,LuX,ShaoJ,LuW,MingNB2008Phys.Rev.Lett.101087401

ShiW,ZhaoW,ZhangXB,LiEL2002ActaPhys.Sin.51867(inChinese)[施　卫、赵　卫、张显斌、李恩玲2002物理学报51867]

ZhangZW,CuiWL,ZhangY,ZhangCL2006J.Infrared

Millim.Waves25217(inChinese)[张振伟、崔伟丽、张　岩、

张存林2006红外与毫米波学报25217]

[22]

HouBH,ShaoM,XuXL,WangL,WangJY,FanZD2007

ActaPhys.Sin.561370(inChinese)[侯碧辉、邵　萌、徐新

[16][17][18][19]

FergusonB,ZhangXC2002NaturalMaterial126TonouchiM2007NaturePhotonics197

ZhaoGZ2006ModernScientificInstruments236(inChinese)[赵

[23]

龙、汪　力、王吉有、范志达2008物理学报561370]

MengK,WangYH,ChenLW,ZhangY2008ActaPhys.Sin.573198(inChinese)[孟　阔、王艳花、陈龙旺、张　岩2008

国忠2006现代科学仪器236]

ZhangXN,ChenJ,ZhouZK2005LaserandOptronicsProgress4235(inChinese)[张兴宁、陈　稷、周泽魁2005激光与光电

[24]

物理学报573198]

MengTH,ZhaoGZ,ZhangCL2008ActaPhys.Sin.573846(inChinese)[孟田华、赵国忠、张存林2008物理学报573846]

[25]

PetzeltJ,Ku󰂱elP,Rychetsk√I,PashkinA,OstapchukT2003

Ferroelectrics288169

子学进展4235]

[20]

ShenJL,ZhangCL2005NondestructiveTesting27146(inChinese)[沈京玲、张存林2005无损检测27146]

Extraordinarytransmissionofsub2wavelengthaperturesinterahertzregion3WangYuan2Yuan　ZhangCai2Hong　MaJin2Long　JinBiao2Bing　XuWei2Wei　KangLin　ChenJian󰂍　WuPei2Heng

(ResearchInstituteofSuperconductorElectronics,NanjingUniversity,Nanjing　210093,China)

(Received5February2009;revisedmanuscriptreceived12February2009)

Abstract

Usingterahertztimedomainspectroscopy(THz2TDS),THztransmissionspectrumofthearraywithsub2wavelengthaperturesontheNbthinfilmhasbeenstudiedinthetemperaturerangeof5—300K.Theextraordinarytransmissionisobservedandthepeakpositionsareinagreementwiththecomputersimulationtechnologysimulationresults.Thetransmissionamplitudeincreaseswiththedecreasingtemperature.

Keywords:arraywithsub2wavelengthapertures,terahertztimedomainspectroscopy,extraordinarytransmissionPACC:3220F,7430G,7490

3ProjectsupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(GrantNos.10778602,60721063),theStateKeyDevelopmentProgramforBasic

ResearchofChina(GrantNo.2006CB601006),andtheNaturalScienceFoundationoftheHigherEducationInstitutionsofJiangsuProvince,China(GrantNo.BK2007713).

󰂍Correspondingauthor.E2mail:chenj63@nju.edu.cn