專利名稱：一種集成金屬納米腔的表面等離激元透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米光子學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種集成金屬納米腔的表面等離激元透鏡。
背景技術(shù)：
表面等離激元(Surface Plasmon Polariton) SPP是目前納米光子學(xué)研究中的熱點。表面等離激元是一種存在于金屬與介質(zhì)界面處的光波與金屬內(nèi)自由電子耦合的集體振蕩，它是一種特殊的界面束縛模式的電磁場，其存在可以通過求解在金屬與介質(zhì)界面的邊界條件下的麥克斯韋方程組而得到。SPP最大的特點是可以把光場局域在金屬與介質(zhì)界面處亞波長的尺寸內(nèi)，突破傳統(tǒng)光學(xué)的衍射極限，同時還擁有局域場增強(qiáng)效應(yīng)，近年來SPP得·到了研究者的廣泛關(guān)注。由于SPP可以在亞波長尺度上操控光場并具有共振場增強(qiáng)效應(yīng)，這使得它有很多的應(yīng)用，比如表面增強(qiáng)拉曼光譜SERS、增強(qiáng)熒光、納米光刻、高密度存儲等等。在很多的應(yīng)用場合，人們都需要納米聚焦的光場，不僅僅是要突破衍射極限，而且要進(jìn)一步將光場局域到深亞波長的尺寸。為了得到SPP在空間上的亞波長局域，一個重要的方法是使用表面等離激元透鏡(Plasmonic Lens)PL。表面等離激元透鏡最基本的形式就是在厚的貴金屬膜上刻透的納米縫圓環(huán)。它可以將SPP在其中心處聚焦為一個亞波長的光斑，同時具有增強(qiáng)的局域場。已有的PL還包括用對稱性破缺的納米圍欄實現(xiàn)聚焦以及用分立的圓弧實現(xiàn)SPP渦旋產(chǎn)生，等等。然而，傳統(tǒng)的PL只能將SPP聚焦為一個尺寸比SPP半波長稍微小一點的光斑，對應(yīng)的場增強(qiáng)倍數(shù)也不是很高，無法實現(xiàn)光場的深亞波長局域。最近，通過在表面等離激元透鏡中心集成上一個“金納米針”結(jié)構(gòu)，如圖I所示，這種“級聯(lián)天線”結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步地將光場局域到深亞波長尺寸，同時在針尖處得到非常巨大的場增強(qiáng)。雖然上述結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了光場的深亞波長聚焦與局域，不過由于該結(jié)構(gòu)的圓對稱性，實現(xiàn)上述功能需要使用徑向偏振光，同時要求入射光束的中心和PL的中心精確對準(zhǔn)。這點并不容易實現(xiàn)，也限制了該結(jié)構(gòu)的現(xiàn)實應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
針對以上現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種新的簡單同時實現(xiàn)光場的深亞波長局域和巨大場增強(qiáng)的表面等離激元透鏡。本發(fā)明的目的在于提供一種集成金屬納米腔的表面等離激元透鏡。本發(fā)明的集成金屬納米腔的表面等離激元透鏡包括襯底、金膜、納米縫圓環(huán)和金屬納米腔；其中，金膜鍍在襯底的上表面；納米縫圓環(huán)位于金膜上并穿透金膜；以及金屬納米腔為矩形淺槽，位于納米縫圓環(huán)的中心，從金膜的上表面開始刻到金膜內(nèi)一定深度但沒有刻透。襯底為透明的介質(zhì)。從而，入射光能夠從襯底透射，入射到金膜上。金膜的厚度T遠(yuǎn)大于光波在金屬中的穿透深度hskin，并且即使在金膜的上表面刻上為矩形淺槽的金屬納米腔，金屬納米腔的深度h，從金屬納米腔的底部到襯底的上表面剩余的金膜的厚度仍能遠(yuǎn)大于光的穿透深度，即T-h hskin，從而阻止了襯底的入射光直接透過，使得位于金膜的中心的金屬納米腔是一個純的SPP腔。納米縫圓環(huán)可以為單圈圓環(huán)或兩圈以上同心圓環(huán)。納米縫圓環(huán)為單圈圓環(huán)時，圓環(huán)的內(nèi)直徑D為5 20微米；縫寬W為5(T300納米。金屬納米腔位于納米縫圓環(huán)的中心，是從金膜上表面開始刻到金膜內(nèi)一定深度但沒有刻透的矩形淺槽，金屬納米腔的左側(cè)壁、納米腔內(nèi)的空氣、金屬納米腔的右側(cè)壁，形成金屬-介質(zhì)-金屬MM垂直腔。金屬納米腔的長度L彡180納米；寬度g為5 50納米；深度h由長度L和寬度g來確定。當(dāng)g和L 一定時,深度h為一階共振的深度。當(dāng)沿X方向線偏振的光從襯底的下表面沿Z方向正入射到等離激元透鏡上時，存 在于金膜/空氣界面的SPP將會被納米縫圓環(huán)有效地激發(fā)并向中央聚焦。聚焦在金屬納米腔的邊緣處的SPP將會激發(fā)金屬納米腔內(nèi)的MM波導(dǎo)模式，同時該模式將會在金屬納米腔的底部和頂部來回反射，形成MIM垂直腔。在合適的條件下，金屬納米腔達(dá)到共振，此時光場將會得到緊束縛和局域增強(qiáng)。進(jìn)一步，本發(fā)明的納米縫圓環(huán)可以為兩圈以上同心圓環(huán)。通過使用多圈同心圓環(huán)來代替單圈圓環(huán)，利用多圈同心圓環(huán)在能量收集過程中的共振效應(yīng)，更多的遠(yuǎn)場能量將會被轉(zhuǎn)化到近場，同時也將得到更大的局域場增強(qiáng)。而且，本發(fā)明便于加工制備，比如，直接采用聚焦離子束刻蝕(FIB milling)的方法制備。制備出的金屬納米腔的質(zhì)量也許會受到金膜不均勻性的影響?？梢赃x擇一些最近發(fā)明的制備納米結(jié)構(gòu)的新方法，比如模板剝離法(Template Stripping) TS等，來制備具有高深寬比的金屬納米腔。使用這樣的方法制備出的納米結(jié)構(gòu)，金膜上表面是非常平整、非常光滑的，同時高深寬比的金屬納米腔中非常尖銳、非常陡直的拐角也是可以保證的。因此，能夠高質(zhì)量地制備出本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明的表面等離激元透鏡在金屬納米腔共振的情況下，可以將光場局域到小至
6.OX IO-3入/ (入^是入射光的自由空間波長)的一個光斑，同時透鏡中心的光強(qiáng)相比無腔的情況增強(qiáng)了 5500倍。本發(fā)明的光源避免了徑向偏振光的使用，也不要求光束中心和透鏡中心的精確對準(zhǔn)，應(yīng)用范圍更大，使用更方便。而且，本發(fā)明的表面等離激元透鏡便于加工，易于聞質(zhì)量的制備。


圖I為現(xiàn)有技術(shù)的集成金納米針的表面等離激元透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的集成金屬納米腔的表面等離激元透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的金屬納米腔的局部放大圖；圖4為在不同金屬納米腔的長度L下，歸一化的光強(qiáng)隨著金屬納米腔的深度h的變化的曲線圖；圖5 (a)和(b)分別為本發(fā)明的集成金屬納米腔的表面等離激元透鏡的上方IOnm處的沿著X方向和Y方向的歸一化光強(qiáng)分布|E|2的曲線圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，通過實例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。本發(fā)明的集成金屬納米腔的表面等離激元透鏡包括襯底I、金膜2、納米縫圓環(huán)3和金屬納米腔4 ;其中，金膜2鍍在襯底I的上表面上；納米縫圓環(huán)3位于金膜2上并穿透金膜；以及金屬納米腔為矩形淺槽，位于納米縫圓環(huán)的中心，如圖2所示。襯底采用光學(xué)玻3 。入射波長\ ^取為830nm，對應(yīng)的金的折射率是0. 08+5i。納米縫圓環(huán)的內(nèi)直徑D和縫寬w分別為5m和lOOnm。金膜的厚度T選作750nm，這樣從金屬納米腔的底部到襯底的上表面的剩余的金膜的厚度仍然能遠(yuǎn)大于光的穿透深度，從而阻止了入射光從襯底的直接透過，使得中心的金屬納米腔是一個純SPP的腔。金屬納米腔的寬度g為20nm，保證緊的 光場局域。圖3為金屬納米腔的局部放大的示意圖，如圖3所示，金屬納米腔是長度L、寬度g、深度h的矩形淺槽，形成金屬-介質(zhì)-金屬MIM垂直腔。聚焦在金屬納米腔的邊緣處的SPP將會激發(fā)金屬納米腔內(nèi)的MIM波導(dǎo)模式，同時該模式將會在金屬納米腔的底部和頂部來回反射，如圖3中箭頭所示，形成MIM垂直腔。在合適的條件下，金屬納米腔達(dá)到共振，此時光場將會得到緊束縛和局域增強(qiáng)。為了定量研究金屬納米腔的場增強(qiáng)效應(yīng)，不具有金屬納米腔的PL中心位于金膜上方IOnm處的光強(qiáng)IEl2被用作參考值，并被設(shè)為單位I。在同樣的PL幾何尺寸和照明條件下，設(shè)置一個具有不同長度L和深度h的金屬納米腔，形成了集成金屬納米腔的PL。這個集成金屬納米腔的PL的中心位于金膜上方IOnm處的光強(qiáng)也被提取出來，并用參考值歸一化。在幾個不同金屬納米腔的長度L下，歸一化光強(qiáng)隨著金屬納米腔的深度h的變化情況如圖4所示?？梢钥吹剑诤线m的金屬納米腔的幾何尺寸下，集成金屬納米腔的PL的中心處光強(qiáng)相比不具有金屬納米腔的PL而言可以增強(qiáng)至少3個數(shù)量級。另一個顯著特征是場增強(qiáng)效應(yīng)表現(xiàn)出明顯的共振行為，在圖中表現(xiàn)為曲線有明顯的共振峰。從圖4所示結(jié)果來看，給定金屬納米腔的長度，隨著金屬納米腔的深度的增加，場增強(qiáng)因子在下降。同時，較淺的金屬納米腔也意味著比較容易加工。因此，從深度的角度講，比較淺的金屬納米腔擁有更好的性能，也就是說在金屬納米腔的長度和寬度給定的情況下應(yīng)該選擇其對應(yīng)的第一階共振的深度。關(guān)于金屬納米腔的長度，更短的金屬納米腔長意味著Y方向有更好的局域。但是，金屬納米腔的長度不能任意的短，因為當(dāng)金屬納米腔長小于ISOnm時，對稱MIM波導(dǎo)模式將會截止。在截止尺寸以下，金屬納米腔將失去共振增強(qiáng)效應(yīng)。以一個長度為150nm的金屬納米腔作為例子，其場增強(qiáng)因子如圖4中菱形的曲線所示。從圖4中很容易看到這個金屬納米腔沒有表現(xiàn)出明顯的共振效應(yīng)，同時其場增強(qiáng)因子也一直很低，說明波導(dǎo)模式截止時沒有金屬納米腔的共振效應(yīng)。從上面的分析我們可以得出結(jié)論，一個合適的比較短的長度以及其對應(yīng)的一階共振的深度可以作為最優(yōu)化的金屬納米腔幾何參數(shù)。選擇金屬納米腔的長度為200nm，保證波導(dǎo)模式不被截止，同時選擇其對應(yīng)的一階共振的深度ISOnm近似作為最優(yōu)的幾何尺寸。在這個金屬納米腔共振的情況下，場增強(qiáng)因子達(dá)到了 5455倍，同時該集成金屬納米腔的PL中心的金膜上方IOnm處的光強(qiáng)被提取出，如圖5中實線所示。實線表示的X和Y兩個方向的半高全寬FWHM分別為33. 6nm和122nm，意味著這個集成金屬納米腔的PL可以將SPP聚焦到一個尺寸小至6. OX 10_3 A 02的光斑，是真正意義上的深亞波長尺寸。作為對比，一個傳統(tǒng)的PL在徑向偏振光激發(fā)下焦點附近的光強(qiáng)分布如圖5中虛線所示。X和Y兩個方向的半高全寬均為288nm (因為此時PL和激發(fā)光場都是圓對稱的)，意味著焦點的尺寸為0. 12 Atl2,相比集成金屬納米腔的PL的焦點大了 20倍。進(jìn)一步，通過使用兩圈以上同心圓環(huán)來代替單圈圓環(huán)，利用在能量收集過程中的共振效應(yīng)，更多的遠(yuǎn)場能量將會 被轉(zhuǎn)化到近場，同時也將得到更大的局域場增強(qiáng)。同心圓環(huán)的圈數(shù)最好為5至15圈。舉例而言,如果PL是由10圈周期為814nm的同心環(huán)構(gòu)成(814nm等于金/空氣界面處的SPP波長)，那么同樣的集成金屬納米腔的表面等離激元透鏡將會給出一個高達(dá)7. 08X IO4的增強(qiáng)因子，大約是單圈圓環(huán)情況下的12倍。最后需要注意的是，公布實施方式的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種集成金屬納米腔的表面等離激元透鏡，其特征在于，所述表面等離激元透鏡包括襯底(I)、金膜(2)、納米縫圓環(huán)(3)和金屬納米腔(4);其中，金膜(2)鍍在襯底(I)的上表面；納米縫圓環(huán)(3)位于金膜(2)上并穿透金膜；以及金屬納米腔(4)為矩形淺槽，位于納米縫圓環(huán)(3)的中心，從金膜(2)的上表面開始刻到金膜內(nèi)一定深度但沒有刻透。
2.如權(quán)利要求I所述的表面等離激元透鏡，其特征在于，所述襯底為透明的介質(zhì)。
3.如權(quán)利要求I所述的表面等離激元透鏡，其特征在于，所述金膜的厚度T遠(yuǎn)大于光波在金屬中的穿透深度hskin，金屬納米腔的深度h，從金屬納米腔的底部到襯底的上表面剩余的金膜的厚度仍能遠(yuǎn)大于光的穿透深度，即T-h hskin。
4.如權(quán)利要求I所述的表面等離激元透鏡，其特征在于，所述納米縫圓環(huán)(3)為單圈圓環(huán)或兩圈以上同心圓環(huán)。
5.如權(quán)利要求4所述的表面等離激元透鏡，其特征在于，所述納米縫圓環(huán)為單圈圓環(huán)時，圓環(huán)的內(nèi)直徑D為5 20微米；縫寬w為5(T300納米。
6.如權(quán)利要求4所述的表面等離激元透鏡，其特征在于，所述同心圓環(huán)的圈數(shù)為5至15圈。
7.如權(quán)利要求I所述的表面等離激元透鏡，其特征在于，金屬納米腔(4)的長度L≥180納米；寬度g為5 50納米，深度h由長度L和寬度g來確定。
8.如權(quán)利要求7所述的表面等離激元透鏡，其特征在于，當(dāng)金屬納米腔(4)的寬度和長度g和L 一定時，深度h為一階共振的深度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種集成金屬納米腔的表面等離激元透鏡。本發(fā)明的表面等離激元透鏡包括襯底、金膜、納米縫圓環(huán)和金屬納米腔；其中，金膜鍍在襯底的上表面；納米縫圓環(huán)位于金膜上并穿透金膜；以及金屬納米腔為矩形淺槽，位于納米縫圓環(huán)的中心，從金膜的上表面開始刻到金膜內(nèi)一定深度但沒有刻透。本發(fā)明的表面等離激元透鏡在金屬納米腔共振的情況下，可以將光場局域到小至6.0×10-3λ02(λ0是入射光的自由空間波長)的一個光斑，同時透鏡中心的光強(qiáng)相比無腔的情況增強(qiáng)了5500倍。光源避免了徑向偏振光的使用，也不要求光束中心和透鏡中心的精確對準(zhǔn)，應(yīng)用范圍更大，使用更方便。而且，本發(fā)明的表面等離激元透鏡便于加工，易于高質(zhì)量的制備。
文檔編號G02B3/00GK102707342SQ20121021125
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月20日
發(fā)明者岳嵩, 李智, 陳建軍, 龔旗煌 申請人:北京大學(xué)