摘要
从理论和实验上对极化材料4H-SiC一维光栅的光学特性进行了研究。发现该结构中存在四种光学模式：传播表面声子极化激元、偶极子天线、局域表面声子极化激元和准静态表面声子极化激元。进一步利用传播表面声子极化激元对于光栅结构参数的敏感性和原子层沉积技术生长介质材料，观察到了沉积材料厚度变化和传播表面声子极化激元的峰位偏移量呈现线性关系。该研究有助于新型微纳器件如纳米尺、传感器等的开发。
表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons，SPPs）是金属材料表面的自由电子和外部电磁场相互作用而形成的一种电磁波相干共振模式。SPPs能够实现纳米尺度内的局部场增强，在高灵敏传感、高效光电元器件等众多领域有着广泛的应用前
极性半导体碳化硅材料（SiC）在它的横光学声支ωLO与纵光学声支ωTO之间的Reststrahlen全反带（790~970 c
由于SPhPs的色散位于光线之下，入射光不能在SiC平面直接激发SPhPs。为了弥补这种动量失配，常见的方法是在SiC表面制备一维光栅结构。通过光刻和反应离子束在SiC表面刻蚀一维光栅结构，Jean-Jacques Greffet等人实现传播型SPhP共振激发，利用这种模式，他们提出了该结构在相干热源方面的潜在应
本文从理论和实验上研究一维SiC光栅结构的红外吸收光谱。发现该结构的吸收光谱同时存在四种不同的光学模式：传播表面声子极化激元、偶极子天线、局域表面声子极化激元和准静态表面声子极化激元。通过改变结构参数、入射角度等，不同模式显示出了不同的光学特性，并均显示出了较高的Q因子；同时，部分光学模式之间存在着相互耦合。进一步的分析表明，基于激发的传播表面声子极化激元（PSPhPs）模式对光栅结构参数、入射介质环境十分灵敏。根据PSPhPs的属性，我们采用原子层沉积的方法在SiC一维光栅结构表面生长了不同的介质层（Al2O3和HfO2），并观测到样品厚度和PSPhPs峰位移动的线性关系。该研究将有利于对SiC一维光栅中光学模式的深入理解和新型器件如纳米尺的开发。
基于有限元法（FEM），利用CST（Computer Simulation Technology）仿真软件分析计算如
图1 （a） SiC一维光栅结构及几何参数示意图,（b） 4H-SiC光栅结构（红）和4H-SiC衬底（黑）仿真红外光谱图
Fig.1 （a） Schematics of SiC grating structure and definitions of geometric parameters, and （b） CST-simulated infrared spectrum of 4H-SiC grating（red） and 4H-SiC substrate（black）
在模拟计算中，SiC的介电常数根据Lorentz-Drude模型可以写成：
| ， | （1） |
其中，，和分别表示纵向和横向光学声子频率， 表示声子阻
| ， | （2） |
表示沿着光栅横向的波矢，为真空中的介电常数，通过能带折叠理论：将色散曲线在第一布里渊区内进行折叠。
利用光刻和电感耦合等离子体深刻蚀在4H-SiC基片上制备一维光栅。制备过程如下：首先使用紫外光刻机（型号Karl Suss MA6）采用标准反转胶工
利用原子层沉积系统（ALD）在SiC一维光栅结构上面生长均匀保形的不同厚度介质层：分别使用三甲基铝（TMA）、水及四（二甲胺基）铪、水作为前驱体生长Al2O3和HfO2薄膜，具体的沉积过程为：（1）TMA在氮气携带下脉冲进入反应腔（脉冲时间15 ms）；（2）等待25 s后，用氮气吹扫反应腔，带走剩余的TMA；（3）水在氮气携带下，脉冲进入反应腔（脉冲时间15 ms）与样品表面的TMA反应生成氧化物；（4）等待25 s后，用氮气吹扫反应腔，带走反应副产物。其中四（二甲胺基）铪需要预加热至75 ℃。
样品形貌可以通过扫描电子显微镜获得。红外光谱使用傅里叶变换红外光谱仪（Fourier Transform Infrared Spectrometer，美国赛默飞Nicolet iS50）测量，其中测量参数为：分辨率为4，扫描次数32，使用银镜校准，且在整个测量过程样品保持在氮气环境中。
如
图2 四种模式电场分布演化图
Fig.2 The evolution of electric-field distribution of the four optical modes
为了进一步具体分析四种激发谐振模式的物理来源，我们分别计算了一维光栅结构的周期、光栅狭缝宽度、光栅深度和光入射角度对红外反射谱的影响。结果发现：（1）固定其他参数，改变光栅周期从8.7 μm增加到9.6 μm时，模式一发生红移、峰位移动速率为约33 c
图3 不同结构参数下4H-SiC一维光栅结构CST仿真红外光谱
Fig.3 CST-simulated infrared spectrum of one-dimensional 4H-SiC grating structure with varying structural parameters
根据以上数值模拟结果，可以观察到模式一受光栅周期和光入射角的影响很大。为了进一步确认模式来源，计算了四种光栅周期（8.7 μm, 9.0 μm, 9.3 μm, 9.6 μm）下该一维光栅的能带，如
图4 不同光栅周期8.7 μm（黑）, 9.0 μm（红）, 9.3 μm（blue）, 9.6 μm（purple） 下，4H-SiC一维光栅结构的能带示意图。
Fig.4 Calculated energy band structures for 4H-SiC gratings with different periodicities 8.7 μm（black）, 9.0 μm（red）, 9.3 μm（blue）, 9.6 μm（purple）
实验中，制备得到了周期为9.1 μm，光栅深度477 nm，光栅狭缝宽度4.4 μm的SiC一维光栅样品（如
图5 4H-SiC一维光栅（a）SEM图,（b） FTIR红外光谱,（c）-（f）改变不同结构参数FTIR红外光谱
Fig.5 （a） SEM image of fabricated 4H-SiC grating,（b） FTIR spectroscopy of the 4H-SiC grating,（c）-（f） the measured IR spectroscopy of the 4H-SiC grating with changing parameter
在上面制备得到的光栅结构上利用ALD进一步生长介质层，得到了一系列不同循环数即不同厚度沉积层的样品。通过测量FTIR光谱的变化可以观测到生长不同循环数下PSPhP的峰位变化，如
图6 SiC光栅蒸镀不同厚度的Al2O3（a, c）和HfO2（b, d） FTIR红外光谱和沉积循环数与PSPhPs共振峰位移动关系
Fig.6 The IR spectroscopy of SiC grating deposited by Al2O3（a） HfO2（b） with various thicknesses. The linear relation between the change of the thickness of Al2O3（c） HfO2（d） and the offset of the PSPhPs peak position
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通过理论和实验研究了SiC一维光栅的红外光谱响应特征。发现存在四种光学模式：传播表面声子极化激元模式、偶极天线模式、杂化模式和准静态表面声子极化激元模式，部分模式之间存在杂化现象。利用PSPhPs的Q因子较高、且共振峰位对介质环境敏感的特性，我们提出一维SiC光栅结构可以作为红外纳米尺，用以测量介质膜厚度和光学特性。该结果可以对SiC光栅中的多种光学模式加深理解，研究在新型红外传感器、红外光电子器件等方面的可能有潜在应用。
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