專利名稱：用于制造設(shè)置有等離子激元波導(dǎo)的光子晶體器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于制造設(shè)置有等離子激元波導(dǎo)的光子晶體器件的方法，包括以下步驟制備介電材料的膜；以程序化方式將聚焦離子束施加在膜上，以便獲得由根據(jù)預(yù)定晶格定位的通孔規(guī)則的平面布置組成的光子晶體，所述光子晶體還包括由晶格的在內(nèi)部沒有所述通孔的空間限制區(qū)域組成的諧振腔，所述諧振腔形成以便與至少一個(gè)電磁輻射波長諧振的尺寸；以及在所述諧振腔處提供等離子激元波導(dǎo)，其中提供等離子激元波導(dǎo)包括以下步驟a)從金屬有機(jī)先驅(qū)氣體開始，通過由聚焦電子束誘導(dǎo)的化學(xué)汽相沉積在諧振腔上生成突出結(jié)構(gòu)；b)沉積貴金屬層；以及c)借助于聚焦離子束有選擇地去除沉積在突出結(jié)構(gòu)外的貴金屬。
背景技術(shù)：
發(fā)明人近來已制成混合等離子激元光子納米器件(nanodevice)的相似類型， 該器件同樣已在科技出版物(F. De Angelis, M. Patrini, G. Das, I. Maksymov, M. Galli, L. Businaro,L. C. Andreani 禾口E. Di Fabrizio,"Ahybrid ρlasmonic-photonic Nanodevice for Label-Free Detection of a Few Molecules，，，Nano Letters, 17 July 2008, online edition)中得到描述。描述的器件被構(gòu)思成借助于Raman光譜檢測遠(yuǎn)場構(gòu)造中的一些分子。該器件的操作原理是將介電光子晶體腔的低濃度的特性與金屬納米波導(dǎo)的受限屬性結(jié)合。該器件的操作原理基于的事實(shí)是，通過在可見區(qū)中用激光束照射腔，產(chǎn)生從腔朝納米波導(dǎo)(nanoguide)的頂端的末端傳播的表面等離子激元電磁場。該器件以這樣的方式被設(shè)計(jì)成使得對于可與頂端的曲率半徑(小于lOnm)相比較的空間區(qū)域，僅在等離子激元波導(dǎo)的末端周圍獲得入射激光的電場濃度。如此定位的電場變得對電激勵(lì)緊鄰的任何材料的分子非常有用。通過收集材料的分子/原子的重發(fā)射信號這樣的方式，能實(shí)現(xiàn)具有可與等離子激元波導(dǎo)的曲率半徑相比較的空間分辨率的光譜。能實(shí)現(xiàn)的光譜尤其是熒光光譜和Raman 光譜。然而，該器件可能的應(yīng)用范圍不限于光學(xué)光譜。例如，獲得的場濃度還可用于實(shí)現(xiàn)具有比激光λ的波長(大約λ/100)低得多的空間分辨率的光學(xué)納米光刻(optical nanolithography)，或者這樣的場濃度可用于在非線性光學(xué)系統(tǒng)中激勵(lì)第二和第三諧波輻射。另一應(yīng)用可以是從靠近納米波導(dǎo)的頂端的量子點(diǎn)(quantum dot)激勵(lì)單個(gè)光子的發(fā)射。在前述出版物中描述的器件的制造預(yù)見通過用聚焦離子束(FIB)的侵蝕的光子晶體的生產(chǎn)。光子晶體由具有孔的三角形晶格的Si3N4的膜組成。腔為L3型，并且其由在晶體的區(qū)域的中心處并沿方向Γ-K的三個(gè)缺失孔組成。在第二步驟中，在腔的中心處，從(CH3)3Pt(CpCH3)的先驅(qū)氣體開始利用由聚焦電子束誘導(dǎo)的化學(xué)汽相沉積(CVD)沉積鉬納米天線(nanoanterma)。在納米天線于樣本上的生成之后沉積金的薄膜，然后用聚焦離子束通過侵蝕從光子晶體(而不是從納米天線)去除金的薄膜。在文章中描述的器件的納米天線具有帶有尖頂形頂端的桿形。納米天線的幾何形狀在限定表面等離子激元模式(以下用SPP指示)的輪廓細(xì)節(jié)中起重要的作用。發(fā)明人已證實(shí)的是，SPP模式高度局部化在可與頂端的曲率半徑相比較的區(qū)域中，以提供遠(yuǎn)場散射事件的有效耦合。在前述工作中，還表明在納米天線為完全圓錐形的情況下可預(yù)見絕熱的性狀。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種用于制造設(shè)置有等離子激元波導(dǎo)的光子晶體器件的方法，該等離子激元波導(dǎo)具有圓錐形形狀。該目的及其他目的通過在開始所限定的類型的方法達(dá)到，其中在等離子激元波導(dǎo)的制造的步驟a)中，控制誘導(dǎo)沉積的聚焦電子束，以便在維持電子束的位置恒定的情況下，從沉積在膜上的突出結(jié)構(gòu)的第一基層開始直到突出結(jié)構(gòu)的最終頂端層逐漸減小所述電子束的橫截面。根據(jù)本發(fā)明的方法允許提供具有高度規(guī)則的輪廓的圓錐形波導(dǎo)，這允許獲得基本絕熱的性狀以及因此的在天線的頂端處的電場的高的放大系數(shù)。特定的實(shí)施例形成內(nèi)容被理解為當(dāng)前說明書的集成的一部分的從屬權(quán)利要求的目的。


參考附圖，本發(fā)明另外的特性和優(yōu)點(diǎn)將從以下完全作為非限制性示例給出的詳細(xì)說明變得明顯，其中圖1表示光子晶體的布局；圖2是設(shè)置有圓錐形等離子激元波導(dǎo)的光子晶體器件的透視圖；以及圖3是設(shè)置有圖2的器件的原子力顯微鏡的懸臂的細(xì)節(jié)的透視圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將描述用于制造設(shè)置有等離子激元波導(dǎo)(plasmonic waveguide)的光子晶體器件的方法。根據(jù)本發(fā)明的這樣的方法允許獲得具有圓錐形波導(dǎo)的光子器件，類似圖2和 3所表示的光子器件。整個(gè)地用附圖標(biāo)記1指示的器件包括由例如氮化硅的介電材料的膜2組成的襯底。膜2的厚度必須達(dá)到允許借助于聚焦離子束(FIB)精確地獲得光子晶體的孔。例如， 這樣的膜可具有大約IOOnm的厚度。在膜2上獲得整個(gè)地用附圖標(biāo)記5指示的光子晶體。通常，光子晶體5由根據(jù)預(yù)置晶格定位的通孔6的規(guī)則的平面布置組成。在示出的示例中，如圖1所清楚地示出的，其為三角形晶格；孔6具有大約IOOnm的直徑，然而晶格的間距(pitch)為孔的直徑的大約兩倍。光子晶體5還包括諧振腔7，諧振腔7由晶格5的空間限制區(qū)域形成，在晶格5的空間限制區(qū)域內(nèi)部沒有通孔。諧振腔7形成以便與至少一個(gè)電磁輻射波長諧振的尺寸。在圖示的示例中，腔7是由在晶格5的中心處并沿方向Γ-K的三個(gè)缺失孔(missing hole) 形成的L3型腔。在腔7的中心處制成具有圓錐形形狀并相對于光子晶體5的平面大致垂直向外突出的等離子激元波導(dǎo)8。錐體的基部8a具有大約200nm的直徑，然而頂端8b具有大約Inm 的直徑。然而，波導(dǎo)8的長度為大約1 μ m。在波導(dǎo)8的整個(gè)表面上具有諸如金或銀的貴金屬薄膜(具有大約IOnm的厚度)。用于制造該器件的方法初始地預(yù)見制備襯底，以及因此的膜2。在施加聚焦離子束以獲得光子晶體5之前，通過濺射用金屬膜(具有大約IOnm的厚度)涂覆膜2。由于膜的材料為絕緣材料，所以該沉積用于避免否則將由隨后的離子和電子轟擊所引起的使膜2帶 H1^ ο在制備膜2之后，以程序化方式施加聚焦離子束，以便獲得包括諧振腔7的光子晶體5。其后，在諧振腔7處制成等離子激元波導(dǎo)8。等離子激元波導(dǎo)8的制造包括以下步驟a)從優(yōu)選地鉬基先驅(qū)氣體的金屬有機(jī)先驅(qū)氣體開始，通過由聚焦電子束誘導(dǎo)的化學(xué)汽相沉積(CVD)在諧振腔7上生成突出結(jié)構(gòu)；b)沉積貴金屬層；以及c)借助于聚焦離子束有選擇地去除沉積在突出結(jié)構(gòu)外的貴金屬。在步驟a)中，用于制造等離子激元波導(dǎo)的先驅(qū)氣體例如是(CH3)3Pt(CpCH3)。在這樣的步驟期間，控制誘導(dǎo)沉積的聚焦電子束，以便在維持電子束的位置恒定的情況下，從沉積在膜2上的突出結(jié)構(gòu)的第一基層8a開始直到突出結(jié)構(gòu)的最終頂端層8b逐漸減小電子束的橫截面。這樣，限定波導(dǎo)的圓錐形形狀。由于通過電子束誘導(dǎo)的CVD制成波導(dǎo)允許為波導(dǎo)獲得高度精確的輪廓，這是因?yàn)槠渫ㄟ^簡單地變更電子束的截面而基本上允許逐層控制波導(dǎo)的截面，所以其。尤其地，發(fā)明人已通過如下方式制成圓錐形波導(dǎo)以直徑IOnm的縮小步距，連續(xù)蝕刻(用靜止的束)具有遞減直徑的多個(gè)同心圓，例如具有從250nm至Inm的遞減直徑的30個(gè)圓。因此，電子束實(shí)現(xiàn)由預(yù)定軌跡，尤其是同心圓的軌跡，限定的蝕刻策略。在步驟b)中使用的用于提供等離子激元波導(dǎo)的貴金屬可以是金或銀，并通過濺射或蒸發(fā)而沉積。如此獲得的薄膜具有大約IOnm的厚度。優(yōu)選地，貴金屬層為雙金屬的， 包括下面的銀層和上面的金層。由于用該金涂層避免了底層銀的氧化，所以這種措施提高波導(dǎo)的頂端上的電場濃度的效率。利用具有中心在波導(dǎo)上的冠狀截面(crown section)并具有大于波導(dǎo)的基部的直徑的內(nèi)徑的離子束進(jìn)行去除貴金屬的步驟C)。這樣，能去除沉積在膜上的貴金屬而不用接觸在波導(dǎo)上出現(xiàn)的貴金屬。通常地通過液體腐蝕(liquid attack)，去除在施加離子束之后可能植入在(在小于IOnm的深度處)器件的材料中的離子。如圖3中所圖示地，根據(jù)本發(fā)明的器件可被結(jié)合在原子力顯微鏡(AFM)的懸臂中。 在這樣的圖形中可見用C指示的懸臂的一部分，其中已借助于聚焦離子束形成壓痕R。在壓痕R內(nèi)制成根據(jù)本發(fā)明的器件1。為了制成器件1，實(shí)際上需要局部地使懸臂C稀薄(通常具有大約1 μ m的厚度)，以便獲得足夠薄的厚度以用作器件1的膜。通過在懸臂上添加器件1，變得能夠?qū)⒃恿y量與通過能用器件實(shí)現(xiàn)的由分光鏡進(jìn)行的化學(xué)測量結(jié)合。因此， 同時(shí)與能用AFM獲得的力譜(force spectroscopy)結(jié)合，通常可能獲得具有小于IOnm的空間分辨率的生物材料和/或固體材料的化學(xué)和地形映像(chemical and topographical mapping)。 當(dāng)然，在不影響本發(fā)明的原理的情況下，本發(fā)明的實(shí)施例和細(xì)節(jié)在不為此而偏離在所附權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的保護(hù)范圍的情況下、可相對于完全作為示例且不用于限制性目的而描述并圖示的實(shí)施例和細(xì)節(jié)被寬廣地改變。
權(quán)利要求
1.一種用于制造設(shè)置有等離子激元波導(dǎo)(8)的光子晶體器件(1)的方法，所述方法包括以下步驟制備介電材料的膜⑵；以程序化方式將聚焦離子束施加在所述膜( 上，以便獲得由根據(jù)預(yù)定晶格定位的通孔(6)的規(guī)則的平面布置組成的光子晶體(5)，所述光子晶體還包括由所述晶格的空間限制區(qū)域組成的諧振腔(7)，在所述晶格的空間限制區(qū)域內(nèi)部沒有所述通孔，所述諧振腔形成以便與至少一個(gè)電磁輻射波長諧振的尺寸；以及在所述諧振腔處提供等離子激元波導(dǎo)(8)，其中提供所述等離子激元波導(dǎo)包括以下步驟a)從金屬有機(jī)先驅(qū)氣體開始，通過由聚焦電子束誘導(dǎo)的化學(xué)汽相沉積在所述諧振腔 (7)上生成突出結(jié)構(gòu)；b)沉積貴金屬層；以及c)借助于聚焦離子束有選擇地去除沉積在所述突出結(jié)構(gòu)外的所述貴金屬； 其特征在于在所述等離子激元波導(dǎo)的制造的步驟a)中，控制誘導(dǎo)所述沉積的所述聚焦電子束，以便在維持電子束的位置恒定的情況下，從沉積在所述膜上的所述突出結(jié)構(gòu)的第一基層開始直到所述突出結(jié)構(gòu)的最終頂端層逐漸減小所述電子束的橫截面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在施加所述聚焦離子束以獲得所述光子晶體(5) 之前，借助于濺射用金屬膜涂覆所述膜O)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中在所述等離子激元波導(dǎo)的制造的步驟b)中， 首先沉積下面的銀層，并且然后沉積上面的金層。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中通過使原子力顯微鏡的懸臂(C)局部變窄來制成所述膜。
全文摘要
一種用于制造設(shè)置有等離子激元波導(dǎo)(8)的光子晶體器件(1)的方法包括以下步驟制備膜(2)；以程序化方式將聚焦離子束施加在膜(2)上，以便獲得由根據(jù)預(yù)置晶格定位的通孔(6)的規(guī)則的平面布置組成的光子晶體(5)，并且還包括諧振腔(7)；以及通過由聚焦電子束誘導(dǎo)的化學(xué)汽相沉積在諧振腔處提供圓錐形等離子激元波導(dǎo)(8)。控制誘導(dǎo)沉積的聚焦電子束，以便在維持電子束的位置恒定的情況下，從突出結(jié)構(gòu)的基部開始直到頂端逐漸減小電子束的橫截面。
文檔編號G01N21/65GK102378908SQ200980138108
公開日2012年3月14日 申請日期2009年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月23日
發(fā)明者C·利貝拉爾, E·M·迪法布里齊奧, F·德安格利斯, F·梅卡里尼, G·達(dá)斯, P·坎德洛羅 申請人:卡爾梅德有限公司