椭圆偏振光谱法研究金薄膜中自由电子弛豫时间

【作者】 张铭颖； 张云； 王子仪； 孙艳； 陈鑫； 张荣君；

【机构】 复旦大学信息学院光科学与工程系； 中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室；

【摘要】 近年来随着纳米加工工艺的发展,金纳米结构被越来越多地应用于各种元器件上,比如基于局域表面等离激元的超材料吸收体。当金薄膜的厚度小于块体金的自由电子平均自由程时,电子表面散射效应明显,其自由电子的弛豫时间不同于块体金的自由电子弛豫时间[1]。在近红外波段,随金薄膜的厚度变化,自由电子弛豫时间发生相应改变,这种改变会影响基于金纳米结构的超材料吸收体的吸收率。所以,准确测量金薄膜的自由电子弛豫时间对预测和研究等离激元超材料吸收体有重要意义。在近红外波段,金的介电常数符合自由电子气(Drude)模型,自由电子弛豫时间是该模型的重要参数[2],自由电子弛豫时间对金属介电常数虚部有很大的影响,进而影响金属材料对入射光的吸收本文通过氩离子束溅射的方法制备不同厚度的金薄膜,利用近红外波段的椭圆偏振光谱仪对样品进行测试,对测量结果进行拟合和分析。用光学的方法从实验上验证了,金薄膜的自由电子弛豫时间小于块体材料的弛豫时间。我们测量的15.1 nm厚的金薄膜的自由电子弛豫时间为7.53 fs,27.9 nm厚的金薄膜的自由电子弛豫时间为8.23 fs.此外,将我们的测量结果运用到2010年Na Liu的传感器[3]的反射率模拟中,发现我们测量的弛豫时间更接近于真实情况。传感器的顶端是直径352 nm厚度为20 nm的金圆盘,此厚度的金薄膜自由电子弛豫时间小于块体金,约为8 fs。该传感器实现完美吸收的原理为局域表面等离激元共振,对此特定结构只有在特定自由电子弛豫时间下才能实现完美吸收,能用于验证我们的自由电子弛豫时间。更多还原