專利名稱：用于增強(qiáng)局部電場、光吸收、光輻射、材料檢測的結(jié)構(gòu)以及用于制作和使用此結(jié)構(gòu)的方法
用于增強(qiáng)局部電場、光吸收、光輻射、材料檢測的結(jié)構(gòu)以及用于制作和使用此結(jié)構(gòu)的方法相關(guān)申請的交叉引用本申請涉及Chou等人于2010年5月21日提交的美國臨時(shí)專利申請序列號61/347，178，標(biāo)題為“用于局部電場、光吸收和光輻射的增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)”，并要求其優(yōu)先權(quán)，其以引用方式并入本文。有關(guān)美國聯(lián)邦資助的研究的聲明本發(fā)明是利用美國政府支持在空軍科學(xué)研究局給予的資助編號FA9550-08-1-0222下完成的。美國政府在本發(fā)明中擁有某些權(quán)利。
背景技術(shù)：
本申請涉及用于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)或材料的一些特性的增強(qiáng)的微米級和納米結(jié)構(gòu)，包括置于結(jié)構(gòu)上或附近的分子，其制造和此類結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)的材料的應(yīng)用。這些特性包括物理、化學(xué)或生物特性。物理特性可以包括光和電特性。這些增強(qiáng)的特性可對于材料的檢測或增強(qiáng)電和光裝置(包括太陽能電池、激光器、發(fā)光二極管和顯示器)的性能非常有用。例如，存在巨大需求以開發(fā)增強(qiáng)材料的局部電場、光的吸收和光的輻射的微米級和納米結(jié)構(gòu)，從而能夠利用來增強(qiáng)在結(jié)構(gòu)表面上的分子和其他材料的檢測中所采用的光信號，如熒光、光致發(fā)光、和表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)。

發(fā)明內(nèi)容
概述地來說，本公開提供用于一種材料的微米結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)，其能夠增強(qiáng)通過入射光在該材料中引起的局部電場、材料對光的吸收以及該材料的表面處生成的光的福射。還公開了制造這些結(jié)構(gòu)的方法。還公開了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)表面上的分子和其他材料的檢測中的光信號(如熒光、光致發(fā)光和表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS))的結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。通過結(jié)合附圖閱讀下文描述，將更加顯見到本公開以及當(dāng)前的優(yōu)選實(shí)施方案中提出的前述特征和優(yōu)點(diǎn)。


在構(gòu)成說明書的一部分的附圖中圖1A示出碟f禹合柱上點(diǎn)天線陣列(Disc-Coupled Dots-on-PillarAntenna-Array)(D2PA)的示例結(jié)構(gòu),其由SiO2柱體陣列形式的密集3D空腔納米天線組成，其中每個(gè)柱體的頂部具有金屬碟，SiO2柱體的底部具有金屬背板以及SiO2柱體側(cè)壁上具有金屬納米點(diǎn)，全部經(jīng)由納米間隙耦合；圖1B是圖1A的柱體的剖面圖；圖2A和圖2B示出碟耦合柱上點(diǎn)天線陣列(D2PA)的掃描電子顯微照相圖，該碟耦合柱上點(diǎn)天線陣列(D2PA)由硅基片上的70nm直徑和130nm高的圓形SiO2柱體、金屬碟、背板和全部由Au制成的點(diǎn)組成，其中碟直徑為 lOOnm，碟和板厚度為50nm，平均點(diǎn)直徑為30nm,以及碟與點(diǎn)之間以及相鄰點(diǎn)之間的的平均間隙在O. 5至15nm的范圍；圖3A示出Si02位于金屬背板下方的碟耦合柱上點(diǎn)天線陣列(D2PA)的備選結(jié)構(gòu)；圖3B是圖3A的柱體的剖面圖；圖4A示出具有無孔的金屬背板的碟耦合柱上點(diǎn)天線陣列(D2PA)的備選結(jié)構(gòu)；圖4B是圖4A的柱體的剖面圖；圖5A示出用于使用納米壓印工序在基片上形成柱體陣列的示例制造工序；圖5B示出用于制作碟耦合柱上點(diǎn)天線陣列(D2PA)的備選示例制造工序；圖6示出對于掃描電子顯微照相圖(A) - (H)所示的多種碟直徑測量的D2PA Au碟直徑對BPE分子的SERS增強(qiáng)的影響的曲線圖；圖7A不出對于BPE分子以不同柱體高度33nm、44nm、54nm、62nm、74nm和84nm的D2PA Si02柱體高度測量的SERS信號的示例曲線圖，其示出柱體高度對拉曼峰值強(qiáng)度的影響(計(jì)數(shù))；圖7B圖表示出柱體高度對拉曼峰值強(qiáng)度的影響(計(jì)數(shù))；圖7C-7J是圖7A中圖表示出的多種柱體高度的掃描電子照相圖；圖8示出對于掃描電子顯微照相圖(A)- (H)所示的多種柱體高度(柱體高度12、22、33、44、54、62、74和84nm)NPA Si02柱體高度對測量的光反射率(吸收)的測量的影響的曲線圖；圖9示出通過納米壓印制造的每個(gè)單位單元的一個(gè)柱體(柱體周期為200nm)的陣列的掃描電子照相圖；圖10示出通過納米壓印制造的每個(gè)單位單元的兩個(gè)柱體(柱體周期為200nm)的陣列的掃描電子照相圖；圖11示出對于掃描電子顯微照相圖(A) - (G)所示的多種圓形柱體間距周期(周期=120、140、160、180、200、250和300nm)測量的圓形柱體間距對SERS增強(qiáng)系數(shù)的影響的曲線圖；圖12示出通過納米壓印制造的一個(gè)細(xì)長柱體的陣列的掃描電子照相圖；圖13示出通過納米壓印制造的每個(gè)單位單元兩個(gè)圓形柱體的陣列的掃描電子照相圖；圖14示出對于(A)- (D)所示的柱體形狀，測量的D2PA納米柱體形狀對SERS EF的影響；圖15示出對于(A)- (C)所示的柱體角度，光偏振和柱體角度對SERS EF的影響；圖16示出化學(xué)增強(qiáng)對D2PA (BPE)的測量的影響的圖表；圖17示出利用圓形柱體在D2PA上達(dá)到的1. 2e9SERS EF的實(shí)施例，其圖示D2PA樣本影響(A)與控制樣本影響(B)比較，以及所利用的單個(gè)柱體D2PA的掃描電子照相圖(C);圖18示出利用細(xì)長柱體在D2PA上達(dá)到的1. 7e9SERS EF的實(shí)施例，其圖示D2PA樣本影響(A)與控制樣本影響(B)比較，以及所利用的單個(gè)柱體D2PA的掃描電子照相圖(C);圖19示出歸一化拉曼強(qiáng)度(a. u.)對D2PA SERS樣本計(jì)數(shù)(EF Ie9)的圖表，其中附有信號強(qiáng)度、標(biāo)準(zhǔn)方差和偏差值；圖20示出歸一化拉曼強(qiáng)度(a. u.)對常規(guī)Klarite樣本計(jì)數(shù)(EF Ie6)的圖表，其中附有信號強(qiáng)度、標(biāo)準(zhǔn)方差和偏差值；以及
圖21示出拉曼信號偏差對掃描區(qū)域(D2PA對Klarite)的繪圖。在附圖的若干圖中，對應(yīng)的引用數(shù)字指示對應(yīng)的部件。要理解這些附圖是為了說明本公開中提出的概念，而非按比例繪制。在詳細(xì)地解釋本發(fā)明的任何實(shí)施方案之前，要理解本發(fā)明在其應(yīng)用上不限于下文描述中給出或附圖中圖示的構(gòu)造的細(xì)節(jié)和組件的布置。
具體實(shí)施例方式下文的詳細(xì)描述通過實(shí)施例而非限制的方式說明本發(fā)明。該描述使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┎⒗帽竟_，并描述了若干本公開的實(shí)施方案、調(diào)適、變化、替代以及用途，包括目前據(jù)信為實(shí)現(xiàn)本公開的最佳方式。所公開的是微米結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)，其能夠增強(qiáng)來自材料的局部電場、增強(qiáng)來自材料的光的吸收以及增強(qiáng)來自材料的光的輻射，從而其能夠增強(qiáng)在結(jié)構(gòu)表面上的分子和其他材料的檢測中所利用的光信號，如熒光、光致發(fā)光、和表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)。稱為“3維天線耦合的納米級等離子體激元結(jié)構(gòu)”(3DANPS)的微米結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)具有(吸收所關(guān)注的光波長的尺寸的)3D天線，該3D天線耦合到納米級等離子體激元(金屬)納米結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)局部電場以及增強(qiáng)光吸收和光輻射。3DANPS的一個(gè)實(shí)施方案稱為“碟耦合的柱上點(diǎn)天線陣列”(D2PA)并在圖1A和圖1B中100處示出。D2PA具有3D等離子體激元空腔天線，該3D等離子體激元空腔天線附有耦合到柱體(120)上的納米級金屬點(diǎn)的浮動(dòng)金屬碟或納米碟(130)。確切地來說，D2PA具有基片(110)、基片上的柱體陣列(120)、柱體中的每一個(gè)的頂部上的金屬碟或納米碟(130)、柱體側(cè)壁上的納米級金屬點(diǎn)(140)，在碟與一些點(diǎn)之間具有間隙，在相鄰點(diǎn)之間具有間隙，以及金屬背板(150)，其覆蓋柱體未占據(jù)的大多數(shù)基片區(qū)域。在一個(gè)實(shí)施方案中，柱體陣列(120)由3丨02在硅形成的基片(110)上按200nm間距、130nm高度和70nm直徑制造而成。金屬背板(150)由使用電子束派鍍沿著法向沉積在柱體陣列結(jié)構(gòu)和基片上的40nm厚金層而形成。該沉積工序在每個(gè)SiO2柱體的頂部以金形成金屬碟(130)，同時(shí)在硅基片的表面上形成金納米孔金屬背板。每個(gè)碟具有40nm的厚度和約IlOnm的直徑。在蒸鍍工序期間，沉積速率為約O. 4A/s，金原子擴(kuò)散在SiO2柱體的側(cè)壁(120s)上，并聚集成顆粒尺寸介于IOnm與30nm之間的隨機(jī)顆粒,從而形成納米級金屬點(diǎn)(140)。正如在圖2A和圖2B的掃描電子照相圖中可見到的，在同一個(gè)蒸鍍工序中形成完整的SERS基片，其具有金納米碟、隨機(jī)金納米顆粒金屬點(diǎn)和底層金納米孔板(背板)。擴(kuò)散在SiO2柱體的側(cè)壁(120s)上而形成納米級金屬點(diǎn)的金納米顆粒,在其之間具有約O. 5nm-20nm的窄間隙，這對于引入高度增強(qiáng)的電場是必不可少的。正如本文所使用的，術(shù)語“間隙”定義為兩個(gè)結(jié)構(gòu)之間的最小間隔，如兩個(gè)碟(130)之間的最小間距或碟(130)與相鄰點(diǎn)結(jié)構(gòu)
(140)之間的間距(140a)。還應(yīng)指出即使點(diǎn)的一部分與另一個(gè)點(diǎn)接觸，本發(fā)明結(jié)構(gòu)達(dá)到的增強(qiáng)效果仍存在，因?yàn)槠渌恢弥械南噜徑Y(jié)構(gòu)之間存在有其他間隙。D2PA結(jié)構(gòu)(100)能夠通過等離子體共振和納米天線來增強(qiáng)光吸收。結(jié)構(gòu)(100)能夠通過得益于碟(130)與背板(150)之間形成的(對于光的)垂直空腔和碟陣列(120)形成的側(cè)向空腔的，碟(130)與納米點(diǎn)(140)之間的納米間隙以及納米點(diǎn)本身之間的納米間隙(140b)來增強(qiáng)局部電場。更確切地來說，結(jié)構(gòu)(100)能夠通過納米柱體(120)的陣列來增強(qiáng)光吸收，以及通過這些結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)光信號從表面的反射。它可以具有由碟(130)經(jīng)點(diǎn)(140)和背板(150)形成的增強(qiáng)的垂直空腔光吸收效果，以便增強(qiáng)光吸收。它還能夠具有通過背板(150)的側(cè)向空腔光吸收效果，以便增強(qiáng)光吸收。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，任何特定D2PA結(jié)構(gòu)(100)可以具體根據(jù)結(jié)構(gòu)100的特定配置具有這些功能中的一種、多種或全部，結(jié)構(gòu)100的特定配置包括柱體陣列(120)中的間隔、柱體的尺寸、碟(130)的尺寸、點(diǎn)(140)的尺寸以及所采用的材料。結(jié)構(gòu)(100)所增強(qiáng)的光信號將是來源于結(jié) 構(gòu)(100)的特征之間的納米間隙、等離子體激元共振、天線吸收、天線輻射、垂直空腔以及側(cè)向空腔的增強(qiáng)的產(chǎn)物?？梢詮牟煌嵌扔^察D2PA結(jié)構(gòu)(100)的元件和功能。碟(130)和碟與相鄰金屬點(diǎn)(140)之間以及點(diǎn)本身之間的間距間隙能夠影響結(jié)構(gòu)(100)提供的局部電場增強(qiáng)。每個(gè)柱體(120)上的點(diǎn)位置和點(diǎn)的數(shù)量也能夠增強(qiáng)局部電場。每個(gè)柱體的直徑和頂蓋碟(130)的直徑能夠影響表面等離子體激元常駐頻率(resident frequency)。二氧化娃柱體高度能夠影響空腔長度和納米間隙的數(shù)量，并且還能夠影響碟與金背板的耦合。每個(gè)單位單元的柱體數(shù)量能夠影響有效面積，以及柱體陣列的間距(間隔)能夠影響光的相干吸收和輻射。金背板能夠影響天線和空腔，以及柱體形狀能夠確定光相關(guān)的吸收。一個(gè)實(shí)施例上，為了達(dá)到更大的SERS EM增強(qiáng)系數(shù)，需要(a)將結(jié)構(gòu)(100)的天線的等離子體激元共振頻率調(diào)諧為接近激光激發(fā)頻率(ω )與拉曼位移頻率(ω + Λ ω )的中間；(b)使得兩個(gè)金屬結(jié)構(gòu)之間的間隙盡可能地??；(C)擴(kuò)大有效面積；以及(d)具有其他垂直和/或側(cè)向空腔以便進(jìn)一步增加光吸收。這可以表示為TOTAL EF (增強(qiáng)系數(shù))=(等離子體激元共振所致的EF) X (天線再次輻射所致的EF) X (納米間隙所致的EF) X (垂直空腔所致的EF) X (側(cè)向空腔所致的EF)。在結(jié)構(gòu)(100)內(nèi)，可以“調(diào)諧”多個(gè)變量來增強(qiáng)SERS EF0例如，可以更改碟的直徑(130)和柱體(120)的形狀以改變等離子體激元共振頻率，金屬點(diǎn)(140)將影響局部電場增強(qiáng)，以及碟到點(diǎn)間隙、點(diǎn)位置和每個(gè)柱體(120)上的點(diǎn)計(jì)數(shù)均將影響局部電場增強(qiáng)；柱體的高度將影響共振空腔長度和所存在的納米間隙的數(shù)量，并且還碟與金屬背板的耦合效果。結(jié)構(gòu)(100)的表面上的每個(gè)單位單元的柱體總數(shù)定義有效面積，以及柱體間隔(間距)影響光能的相干吸收和輻射。最后，金屬背板材料和厚度與天線和空腔效果有關(guān)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，在不背離本發(fā)明的范圍的前提下，可以按需根據(jù)本文所示的示例實(shí)施方案更改這些變量的每一個(gè)變量以實(shí)現(xiàn)具有期望特征的結(jié)構(gòu)100或“調(diào)諧”為實(shí)現(xiàn)特定的增強(qiáng)。結(jié)構(gòu)100的多種配置是可設(shè)想的，例如圖3A和圖3B圖示碟耦合柱上點(diǎn)天線陣列(D2PA) (100)的備選結(jié)構(gòu)，其中3102層(120&)位于金屬背板下方且連續(xù)地形成柱體
(120)，而圖4A和4B圖示碟耦合柱上點(diǎn)天線陣列(D2PA)的備選結(jié)構(gòu)，其具有無孔的金屬背板(150)，以使柱體(120)直接在背板材料上形成，而背板材料又沉積在底層基片(110)上的 SiO2 層(120b)上。當(dāng)構(gòu)造本公開的D2PA結(jié)構(gòu)(100)時(shí)，底層基片(110)的材料可以是絕緣體、半導(dǎo)體或電介質(zhì)絕緣體?；?110)不一定是單片的，而可以是層疊構(gòu)造，其包括絕緣體或半導(dǎo)體材料頂層(靠近柱體的層)，而基片的其余部分由任何固體材料制成，如圖3A和圖4A中所見?；?110)的頂層上的柱體(120)優(yōu)選地由絕緣材料形成，但是可以是半導(dǎo)體。用于形成柱體的示例材料是電介質(zhì)二氧化硅、氮化硅、二氧化鉿(HfO)、氧化鋁(AIO)或半導(dǎo)體娃、GaAs和GaN。一旦形成，柱體可以具有側(cè)壁(120s)，這些側(cè)壁(120s)是柱狀、傾斜的、曲線形的或其任何組合。每個(gè)柱體的高度可以選自5nm到7000nm，并且每個(gè)柱體的側(cè)向尺寸可以選自5nm到8000nm。柱體的頂表面的形狀可以是圓形、(錐體)頂點(diǎn)、多邊形、橢圓、細(xì)長條、多邊形、其他類似形狀或其組合。陣列中柱體之間的間隔可以是周期性的或非周期性的。對于一些應(yīng)用，優(yōu)選周期性周期，并且該周期選為將光吸收和輻射最大化，即與光波長相關(guān)。陣列中相鄰柱體之間的間隔(間距)可以是從4nm到4000nm。每個(gè)柱體的頂部具有金屬碟(130)，金屬碟(130)由如下材料制成(a) —種元素材料，如金、銀、銅、鋁、鎳；(b)—種金屬的多積層和/或多層的組合；(C)金屬合金；(d)半導(dǎo)體；(e)生成等離子體激元的任何其他材料；或(€) (a)、(b)、(c)、(d)和(e)的任何組合。每個(gè)碟(130)的形狀可以是圓形、(金字塔或錐形形式中的)頂點(diǎn)、多邊形、橢圓、細(xì)長條、正多邊形、其他類似形狀或其組合。每個(gè)碟的形狀可以與其敷設(shè)所在的關(guān)聯(lián)的柱體的頂表面的形狀相同或不同。優(yōu)選地，每個(gè)碟的側(cè)向尺寸是從4nm到1500nm，并且碟的厚度是從Inm到500nm。金屬碟(130)的直徑可以大于或小于支承柱體(120)的尺寸。尺寸差可以根據(jù)工作波長而從O到200nm變化。敷設(shè)在金屬碟(130)與金屬背板(150)之間的每個(gè)柱體(120)的側(cè)壁(120s)上，金屬點(diǎn)(140)具有大致球形、碟形、多邊形、細(xì)長形、其他形狀或其組合。柱體(120)上的這些金屬點(diǎn)可以具有大致相同的形狀或可以個(gè)別性地有所不同。金屬點(diǎn)的尺寸優(yōu)選地介于3nm到600nm之間，并且可以在三維尺寸上是不同的。這些點(diǎn)的確切尺寸可以針對特定的等離子體激元共振來選擇，還可以按制造便利性和其之間的關(guān)聯(lián)間隙(140a、140b)的制造來調(diào)難
iF. O優(yōu)選地，相鄰金屬點(diǎn)(140)之間的間隙(140b)和碟(130)與相鄰金屬點(diǎn)之間的間隙(140a)介于O. 5nm到200nm之間。對于許多應(yīng)用，優(yōu)選小間隙(140a、140b)以增強(qiáng)光信號。柱體(120)上的每個(gè)金屬點(diǎn)(140)之間可以改變間隙(140a、140b)。在圖1A和圖1B所示的實(shí)施方案中，金屬背板(150)限定基片(110)上的金屬層且附有對于每個(gè)柱體(120)的孔。金屬背板的厚度選為從Inm到2000nm，其中優(yōu)選范圍50nm-200nm的厚度。金屬背板的材料可以選自與形成上文描述的金屬碟(130)所用相同的集合，但是對于給定D2PA結(jié)構(gòu)(100)，金屬背板可以由與形成碟所用的材料相同或不同的材料形成。D2PA結(jié)構(gòu)(100)的上文描述是可以采用的材料、形狀和尺寸的范圍的說明，但不視為排他性的?？梢园葱枋褂闷渌牧?、形狀和尺寸以達(dá)到期望的增強(qiáng)效果。每個(gè)D2PA結(jié)構(gòu)(100)的確切材料、形狀和尺寸將由要增強(qiáng)光吸收(波長、偏振)、要增強(qiáng)光再輻射和/或要增強(qiáng)局部電場的特定需求來確定。圖5中圖示制造本發(fā)明的D2PA結(jié)構(gòu)(100)的示例工序。該制造工序可以具有如圖所示的若干步驟，并且可以包括涉及光蝕刻和沉積技術(shù)的其他步驟。初始步驟(210)是提供附有如SiO2的柱體材料層(120L)的基片(110)。下一步(212)是采用光蝕刻壓印工序在柱體材料層(120L)上沉積的光阻層(202)中壓印具有柱體圖案的模子(200)。在將圖案壓印到光阻層(202)中以形成蝕刻掩膜轉(zhuǎn)換，通過蝕刻工序(214)移除殘余材料以留下光阻層(202)的柱體形結(jié)構(gòu)的圖案。然后將蝕刻掩膜材料層(204)(如鉻(Cr)或其他材料)沉積在柱體形結(jié)構(gòu)的圖案上，如(216)處所示，并且移除余下的光阻材料(218)，從而得到柱體材料層(120L)上直接沉積的Cr圖案。最后的蝕刻步驟(220)可以是如復(fù)古蝕刻(retro-etching)的干法蝕刻或濕法蝕刻工序,其移除柱體材料(120L)的未受保護(hù)部分,并留下沉積在基片(110)的表面上的柱體(120)的陣列?？蛇x地通過干法或濕法蝕刻工序移除任何余下蝕刻掩膜材料(Cr)，并采用蒸鍍工序(222)以按基本準(zhǔn)直的沉積將金屬背板平面材料、碟材料和金屬點(diǎn)沉積在結(jié)構(gòu)(100)上。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到多種光蝕刻步驟(212)能夠使用任何多種公知的光蝕刻方法，包括電子束光蝕刻、離子束光蝕刻、照相光蝕刻或納米壓印光蝕刻以在光阻材料中形成圖案。相似地，將認(rèn)識到，蝕刻掩膜材料(204)可以是金屬電介質(zhì)或絕緣體?？梢栽趫?zhí)行光蝕刻步驟(212)之前或之后將蝕刻掩膜材料(204)沉積在光阻層(202)上。如果在光蝕刻步驟之后沉積蝕刻掩膜材料，則通常將使用剝離(liftoff)工序(218)。作為備選，如圖5所示，如果使用納米壓印光蝕刻(212)的步驟來首先構(gòu)建光阻圖案，則隨后將蝕刻掩膜材料(204)沉積在所得到的溝槽(216)中，然后執(zhí)行剝離工序(218)。圖5B示出用于制作碟耦合柱上點(diǎn)天線陣列(D2PA)的備選示例制造工序，其由如下步驟組成(1)獲取基片；(2)蝕刻柱體陣列；(3)從頂部沉積金屬層；以及(4)使得沉積在柱體頂部的金屬能夠形成碟，使得柱體底部上沉積的金屬能夠形成金屬背板，以及使得側(cè)壁上沉積的金屬能夠提供自行形成的點(diǎn)結(jié)構(gòu)；本發(fā)明的D2PA結(jié)構(gòu)(100)可以在多種應(yīng)用中使用，包括(a)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)表面上的分子和其他材料的檢測中的光信號，如熒光、光致發(fā)光和表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)); (b)增強(qiáng)光收集，如太陽能電池；以及(C)增強(qiáng)輻射，如發(fā)光二極管或激光器。特定應(yīng)用的實(shí)施例包括單分子檢測、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的非介入式研究以及生物病原體和危險(xiǎn)化學(xué)物品的痕量識別。通過控制D2PA結(jié)構(gòu)(100)的多種參數(shù)，可以控制從約IOOnm到約8000nm的多種波長的光。將描述根據(jù)本發(fā)明制造的若干示例D2PA結(jié)構(gòu)(100)。沿著法向使用電子束蒸鍍將40nm厚的金沉積在支架SiO2柱體陣列上來制造如圖1A和圖1B所示的D2PA結(jié)構(gòu)(100)和基片(110)。圖2A和圖2B的掃描電子照相圖中所示的支架SiO2柱體陣列通過納米壓印光蝕刻和反應(yīng)式離子蝕刻制造。要制作壓印中使用的柱體模子，使用來自兩個(gè)相干351nm激光器束的干涉圖案來制造200nm周期光柵模子，然后通過利用垂直方向?qū)R的光柵進(jìn)行雙循環(huán)壓印以及后續(xù)處理將1-D光柵圖案轉(zhuǎn)換成2-D柱體圖案。將柱體模子壓印在附有130nm厚5丨02層(1200的硅基片(110)上。在一系列制造步驟包括Cr屏蔽蒸鍍(216)、殘余光阻蝕刻(218)、Cr蝕刻掩膜沉積和剝離(liftoff)，以及通過SiO2層蝕刻(220)之后，在硅基片(110)上制造200nm間距、130nm高和70nm直徑的SiO2柱體陣列。沿著法向使用電子束蒸鍍在柱體陣列結(jié)構(gòu)(120)上沉積40nm金層(150)，并同時(shí)在SiO2柱體(120)的頂部上構(gòu)建金納米碟(130)以及在硅基片(110)的表面上構(gòu)建金納米孔背板(150)。在以約O. 4A/s的沉積速率的蒸鍍工序期間，金原子擴(kuò)散在SiO2柱體(120)的側(cè)壁上，并聚集成隨機(jī)顆粒，其顆粒尺寸介于IOnm與30nm之間，從而形成金屬點(diǎn)(140 )。
圖2A和圖2B示出完成的SERS基片(110)，其具有在相同蒸鍍工序中形成的金納米碟(130)、隨機(jī)金納米顆粒(140)和底部金納米孔板(150)。散布在SiO2柱體(120)的側(cè)壁上的金納米顆粒(140)在其之間具有約O. 5nm - 20nm的窄間隙，這對于利用結(jié)構(gòu)(100)弓丨入高度增強(qiáng)的電場是必不可少的。將大面積SERS基片(110)切成約3mmX3mm的小方塊，以用于通過不同濃度的一系列BPE乙醇溶液測量。BPE已通過再結(jié)晶進(jìn)行3次純化，然后再溶解。將O. 182g純化的BPE溶解在IOmL乙醇中以形成IOOmM BPE乙醇溶液，然后逐步地將其稀釋到較低濃度。使用精確的移液管將2uL溶液BPE溶液滴在SERS樣本上，然后在空氣中自然干燥而無需吹干。這種處理能夠通過已知濃度、容積和樣本面積來精確地控制沉積在SERS基片表面上的總分子量。為了計(jì)算SERS樣本上的增強(qiáng)，還以SERS樣本的相同方式處理無拉曼增強(qiáng)的一塊控制樣本，其具有以O(shè). 6A/s通過束蒸鍍沉積在平載玻片上的50nm鋁，以提供參照。使用HORIBAJobin Yvon提供的共焦點(diǎn)拉曼顯微鏡系統(tǒng)，采用5秒曝光時(shí)間和100X長工作距離且N. A.為O. 75的物鏡來表征所有樣本。激發(fā)源是785nm激光器，其具有約Ium的光點(diǎn)直徑。測量D2PA樣本(100)的SERS增強(qiáng)系數(shù)，該D2PA樣本(100)具有IOOnm直徑納米碟天線、130nm柱體高度和40nm金沉積。利用InM濃度的2uL BPE溶液按上文過程處理3mmX3mmD2PA樣本。測量每種樣本上均勻分布的總共400個(gè)點(diǎn)，以用于將總信號取均值以增加信噪比。按其他測量條件保持相同，定義分析增強(qiáng)系數(shù)[ref]。遵循此定義，通過比較D2PA基片和參照樣本上的1200cm-1峰值的拉曼強(qiáng)度獲得5E7的EF。 結(jié)構(gòu)中的金納米碟天線的等離子體激元共振在增強(qiáng)柱體周圍的局部電場并由此增強(qiáng)總拉曼信號強(qiáng)度上起重要的作用。在準(zhǔn)靜電近似下，次波長納米碟天線的共振波長由其幾何形狀確定，其幾何形狀可以通過更改柱體直徑而保持固定的金沉積厚度來改變。為了研究納米碟直徑對SERS EF的影響，使用電子束光蝕刻以不同直徑制造一系列D2PA SERS基片。每個(gè)陣列具有200nm的固定間距和130nm的蝕刻深度，這與納米壓印的D2PA SERS基片相同。金沉積之后，EBL寫入的D2PA結(jié)構(gòu)的直徑在從50nm到190nm的范圍，并且陣列面積為20umX20um，此面積足夠大以用于共焦點(diǎn)拉曼特征化。與納米壓印的D2PA樣本完全相同地處理EBL寫入的D2PA結(jié)構(gòu)，即，使用氟基RIE將其蝕刻，并沿著法向在整個(gè)結(jié)構(gòu)上蒸鍍40nm金。在將EBL圖案處理的基片切成3mmX 3mm的方塊之后，將IuM濃度的2uL BPE溶液滴在包括不同直徑的所有圖案的單個(gè)塊上。在通過使溶劑自然干燥將SPE分子沉積在樣本表面上之后，然后分別地使用632nm和785nm激光激發(fā)在HORISA ARAMIS拉曼顯微鏡下表征該樣本。從不同納米碟直徑的陣列測量1200cm-1峰值的強(qiáng)度并繪圖，以及圖6中示出這些結(jié)果。在632nm激發(fā)下,對于IlOnm直徑D2PA結(jié)構(gòu)，觀察到最強(qiáng)增強(qiáng)，而此最優(yōu)直徑在785nm激發(fā)下移位到130nm。此結(jié)果是合理的，因?yàn)檩^大的納米碟直徑由此固定厚度下較大的縱橫比將納米碟天線的共振波長紅移(red shift)，從而導(dǎo)致最優(yōu)直徑在785nm激發(fā)比632nm激發(fā)下更大。可再現(xiàn)性差一直是應(yīng)用SERS作為常規(guī)化學(xué)分析工具的主要障礙。因?yàn)镾ERS信號高度依賴于納米級功能部件，而這些納米級功能部件在目前制造技術(shù)下固有地存在不可測性，所以減少樣本與樣本以及(相同樣本內(nèi)的)點(diǎn)與點(diǎn)的變差是難題所在。與自組織或基于膠體的SERS基片相比，光蝕刻制造的SERS基片具有樣本與樣本變差減小的優(yōu)點(diǎn)，這應(yīng)該歸功于許多具有納米級經(jīng)度的高保真度光蝕刻工具，如納米壓印光蝕刻。SERS信號的點(diǎn)與點(diǎn)變差依賴于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尤其單位單元(或熱點(diǎn))密度，以及還依賴于激光光點(diǎn)尺寸，因?yàn)檩^大的光點(diǎn)尺寸通過對來自較多熱點(diǎn)的信號有效地取均值一般將得到較小的信號變差。但是，在一些應(yīng)用中，需要亞微米級的高度均勻度、衍射限制的激光光點(diǎn)的尺寸來達(dá)到具有恒定的高增強(qiáng)的高空間分辨率?？紤]每個(gè)單位單元中的次波長單位單元和每個(gè)單位單元中的高熱點(diǎn)密度，可預(yù)期本發(fā)明的D2PA基片即使在最小激光光點(diǎn)級下仍呈現(xiàn)良好的均勻度。為了表征D2PA基片的SERS增強(qiáng)的變差，以IuM的2uL BPE溶液處理一個(gè)3mmX 3mm尺寸的D2PA樣本，并在此樣本上隨機(jī)選擇66個(gè)位置用于拉曼成像。通過在某個(gè)樣本表面內(nèi)掃描激發(fā)激光束，可以在不同有效激發(fā)光點(diǎn)尺寸下對信號變差取樣?？梢愿鶕?jù)66個(gè)測量點(diǎn)，比較1200cm-l峰值強(qiáng)度的相對標(biāo)準(zhǔn)方差。作為比較，還將商用Klarite SERS基片切成3_X3mm尺寸并在不同有效激光光點(diǎn)尺寸下在隨機(jī)選擇的64個(gè)位置處進(jìn)行測量。圖19-21圖示D2PA樣本和商用Klarite樣本的點(diǎn)與點(diǎn)可再現(xiàn)性的結(jié)果。圖19和圖20的直方圖示出利用具有約2um直徑的衍射限制的光點(diǎn)尺寸的非掃描激光光點(diǎn)的信號強(qiáng)度分布。在Ium直徑光點(diǎn)尺寸下,在本發(fā)明的D2PA樣本上達(dá)到15%的相對變差，而Klarite樣本顯示57%的變差。隨著有效光點(diǎn)尺寸增加，其中激發(fā)激光束在某個(gè)區(qū)域內(nèi)掃描，Klarite樣本呈示顯著提高的信號變差，而D2PA樣本呈示位于15%以下的恒定變差。這些光點(diǎn)與光點(diǎn)變差隨光點(diǎn)尺寸變化的行為起因于每個(gè)樣本上的單位單元的尺寸。Klarite樣本具有約2umX2um的單位單元，比D2PA樣本上的單個(gè)柱體單位單元大約100倍。因此，在本發(fā)明D2PA樣本上通過固定掃描面積覆蓋的單位單元的數(shù)量比Klarite上多100倍。再者,在每個(gè)D2PA單位單元中，柱體側(cè)壁上有大量窄間隙熱點(diǎn),所有這些促成即使在非掃描激發(fā)光點(diǎn)尺寸下仍提高的平均效果，并貢獻(xiàn)了本發(fā)明D2PA樣本上顯著提高的可再現(xiàn)性。如圖7至圖18所示，已通過試驗(yàn)方式研究了 D2PA的多種其他特性。結(jié)構(gòu)(100)的金屬點(diǎn)(140)、背板(150)和所有其他特征對于高信號增強(qiáng)均是重要的。再者，通過化學(xué)增強(qiáng)，SERS信號被另增加6. 3X，從而將SERS總增強(qiáng)系數(shù)增加到高于le9，如圖16所示。應(yīng)該指出本文提出的結(jié)構(gòu)尺寸是針對約780nm的激發(fā)光波長優(yōu)化的。當(dāng)在不同光波長下工作時(shí)，將認(rèn)識到應(yīng)該隨著光波長變化換算一些結(jié)構(gòu)尺寸。例如，當(dāng)將工作波長更改為更長的波長時(shí)，應(yīng)該增加金屬碟(130)的直徑。為了實(shí)現(xiàn)大SERS增強(qiáng)，必須優(yōu)化小間隙(140a、140b)、銳角、基片表面等離子體激元頻率與激發(fā)光波長的匹配、每個(gè)納米天線的效率、納米天線與間隙之間的有效耦合、用于提高光吸收的垂直和側(cè)向共振空腔、每個(gè)單元面積的納米天線的大數(shù)量以及每個(gè)單位面積的SERS有效納米間隙的大數(shù)量。本文公開的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)能夠用于檢測材料的多種光信號，并且還能夠改善或更改材料的一些其他特性。檢測包括熒光、SERS和光致發(fā)光。改善的光特性可以包括光電管光吸收和生成信號。因?yàn)樵诓槐畴x本發(fā)明的范圍的前提下可以在上文的構(gòu)造中進(jìn)行多種更改，所以上文描述所包含和附圖所示的所有內(nèi)容均應(yīng)解釋為說明性的，而非限制性的。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提出一種用于利用增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(100)來增強(qiáng)物質(zhì)(如材料或單個(gè)分子)的特性(如光特性)的檢測的方法。該方法包括如下步驟(I)將物質(zhì)置于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(100)的附近；(2)利用光(E)照射該物質(zhì)和/或增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(100);以及(3)檢測來自物質(zhì)的光；增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(100)由如下部分組成基片(110);從該基片的表面延伸的至少一個(gè)納米柱體(120);每個(gè)柱體頂部的納米級金屬碟(130);位于每個(gè)柱體底部的金屬背板(150)，所述金屬背板覆蓋基片表面的大部分；以及位于每個(gè)柱體的外部垂直表面或側(cè)壁(120s)上的至少一個(gè)納米級金屬點(diǎn)結(jié)構(gòu)(140)。作為備選，在所述置于步驟中將物質(zhì)敷設(shè)在增強(qiáng)結(jié)構(gòu)上，而非僅位于其附近。該增強(qiáng)結(jié)構(gòu)可以構(gòu)造以專用于要檢測的物質(zhì)的特性的一個(gè)或多個(gè)特征。這些特征包括材料選擇、納米級柱體高度、納米級柱體側(cè)壁形狀、納米級金屬碟形狀、納米級金屬點(diǎn)結(jié)構(gòu)間隔(140a、140b )、金屬材料和金屬背板構(gòu)造。納米級金屬點(diǎn)結(jié)構(gòu)間隔的選擇還包括選擇相鄰納米級金屬點(diǎn)結(jié)構(gòu)之間的間隙距離(140b)和/或選擇納米級金屬碟與相鄰納米級金屬點(diǎn)結(jié)構(gòu)之間的間隙間隔(140a)?？梢詫脑鰪?qiáng)結(jié)構(gòu)附近的物質(zhì)檢測到的光與物質(zhì)的表面上的分子或其他材料的檢測關(guān)聯(lián)，并且可以例如定義光信號，如熒光光信號、光致發(fā)光光信號或表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)光信號?？梢栽谖镔|(zhì)的表面附近生成檢測的光，并通常具有范圍從IOnm到30微米的波長。優(yōu)選地，檢測到的光具有基本接近增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的納米級柱體和納米級金屬碟結(jié)構(gòu)的共振峰值波長的波長。在第二實(shí)施方案中，本發(fā)明提出一種納米級結(jié)構(gòu)(100)，其在材料處增強(qiáng)入射光引起的局部電場、光吸收、材料表面處生成的光的輻射。結(jié)構(gòu)(100 )包括基片(110 );從該基片的表面延伸的至少一個(gè)柱體(120);敷設(shè)在每個(gè)柱體頂部的金屬(導(dǎo)電)碟(130);位于每個(gè)柱體底部的金屬(導(dǎo)電)背板(150)，所述金屬背板覆蓋基片表面的大部分；以及敷設(shè)在每個(gè)柱體的外部垂直表面或側(cè)壁(120s)上的至少一個(gè)金屬(導(dǎo)電)點(diǎn)結(jié)構(gòu)(140)。該納米級結(jié)構(gòu)的基片(110)可以是電絕緣體、電介質(zhì)絕緣體或半導(dǎo)體?？蛇x地，該基片可以是層疊結(jié)構(gòu)，以及其中該基片表面處的層(120a、120b)是電絕緣體或半導(dǎo)體；以及其中表面層下方的基片的本體由任何固體材料組成。納米級結(jié)構(gòu)的柱體(120)可以由絕緣體或半導(dǎo)體形成，并且具有頂部，該頂部具有選自如下組成的集合的形狀圓形、尖頭、多邊形、錐體、橢圓、細(xì)長條形或其組合。該柱體的側(cè)壁表面(120s)可以是柱狀、傾斜的或曲線形的。優(yōu)選地,該柱體具有范圍從5nm到7000nm的高度和范圍從5nm到8000nm的直徑?？蛇x地，柱體可以是從基片(110)的所述表面延伸的柱體陣列的一部分，其中相鄰柱體之間的間隔在從2nm到4000nm的范圍。柱體的陣列可以定義周期性陣列，其中間隔是相對于為使用該納米級結(jié)構(gòu)將光的吸收或輻射最大化而選定的波長的所述光來選擇的。用于該納米級結(jié)構(gòu)上形成柱體的適合材料包括二氧化硅、氮化硅、二氧化鉿、硅、砷化鎵和氮化鎵。納米級結(jié)構(gòu)的金屬碟(130)在柱體(120)的頂部上由如金、銀、銅、鋁及其合金或其組合形成。金屬碟的表面不一定是均勻的，并且可以具有如圓形、尖頭、多邊形、橢圓、條形或其組合的任何構(gòu)造。優(yōu)選地，金屬碟的側(cè)向尺寸在從5nm到1500nm的范圍，并且所述金屬碟的垂直厚度在從Inm到500nm的范圍。敷設(shè)在納米級結(jié)構(gòu)(100)的柱體側(cè)壁(120s)上的金屬點(diǎn)結(jié)構(gòu)(140)各具有由如下組成的形狀集合的形狀大致球形、圓形、多邊形、細(xì)長形或其組合，并且具有范圍從3nm到600nm的尺寸。共同柱體上的金屬點(diǎn)結(jié)構(gòu)和金屬碟(130)之間的間隙(140a)在從O. 5nm到600nm的范圍，與相鄰金屬點(diǎn)結(jié)構(gòu)(140 )之間的間隙(140b ) —樣。納米級結(jié)構(gòu)(100)的金屬背板(150)可以配置有柱體(120)從基片表面延伸所穿過的孔，或可以與敷設(shè)在其上的柱體是基本連續(xù)的。優(yōu)選地，金屬背板(150)具有范圍從Inm到2000nm,優(yōu)選為從50nm到200nm的厚度,并且有選自如下金屬組成的集合的金屬構(gòu)成金、銀、銅、其合金或其組合。金屬背板(150)可以由與金屬碟(130)相同的材料或與之不同的材料形成。在使用中，本公開的納米級結(jié)構(gòu)(100)增強(qiáng)了附近的材料(如單分子或樣品)的特征或特性。該特征或特性可以包括入射光引起的局部電場、光吸收、材料表面處生成的光的輻射。這些增強(qiáng)的特征可以由與檢測分子或其他材料關(guān)聯(lián)的光信號組成，如熒光光信號、光致發(fā)光光信號和表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)光信號。本公開的納米級結(jié)構(gòu)(100)可以在熒光檢測器中被利用來檢測分子或小樣本，在光致發(fā)光檢測器中被利用來檢測分子或小樣本或在表面增強(qiáng)拉曼散射檢測器中被利用來檢測分子或小樣本。本公開的納米級結(jié)構(gòu)(100)可以由多種方法制成。用于制造用于增強(qiáng)局部電場、吸收光或福射光的納米級結(jié)構(gòu)(100)的示例方法包括如下步驟提供包括絕緣或半導(dǎo)體材料的外表面的基片(110);在該外表面上形成柱體(120)的陣列，這些柱體具有范圍是5nm到7000nm的高度和范圍是5nm到8000nm的側(cè)向直徑；將導(dǎo)電材料(130)涂覆到柱體的頂部和底層基片；以及同時(shí)(或依次地)將導(dǎo)電點(diǎn)結(jié)構(gòu)(140)沉積在柱體側(cè)壁(120s)上。柱體的陣列通過包括電子束光蝕刻、離子束光蝕刻、照相光蝕刻或納米壓印光蝕刻的工序來形成。用于形成柱體(120)的陣列的納米壓印光蝕刻工序需要將可塑壓印光阻(202)涂覆到納米級結(jié)構(gòu)的外表面；利用包括突起的柱體區(qū)域的陣列的模子(200)壓印光阻，從而在光阻層中形成厚度減小的孔陣列；選擇性地蝕刻掉這些孔中減小的厚度層以在孔的底部處暴露基片絕緣或半導(dǎo)體材料的外表面區(qū)域；將蝕刻掩膜材料(204)沉積在這些孔中；移除光阻材料(202)，留下與模子柱體區(qū)域的陣列對應(yīng)的蝕刻遮掩的區(qū)域(204)的陣列；蝕刻絕緣或半導(dǎo)體材料(120)的外表面以產(chǎn)生與模子柱體區(qū)域的陣列對應(yīng)的柱體區(qū)域的陣列；以及可選地移除蝕刻掩膜材料。
權(quán)利要求
1.一種用于利用增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(100)增強(qiáng)物質(zhì)的特性的檢測的方法，其包括將所述物質(zhì)置于所述增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(100)附近或與之接觸；利用光照射所述物質(zhì)和/或所述增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(100);檢測從所述物質(zhì)輻射的光；以及其中所述增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(100)由如下組成 基片(110)； 從所述基片(Iio)的表面延伸的至少一個(gè)納米柱體(120)； 位于每個(gè)所述柱體(120)的頂部上的納米級金屬碟(130)； 位于每個(gè)所述柱體的底部的金屬背板(150)，所述金屬背板覆蓋所述基片表面的大部分；以及 位于每個(gè)所述柱體的外部垂直表面(120s)上的至少一個(gè)納米級金屬點(diǎn)結(jié)構(gòu)(140)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述置于步驟中將所述物質(zhì)敷設(shè)在所述增強(qiáng)結(jié)構(gòu) (100)上。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述物質(zhì)由單分子組成。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述特性是光特性。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述特性包括熒光光信號、光致發(fā)光光信號和表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)光信號中的至少一個(gè)。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括響應(yīng)要檢測的所述特性選擇所述增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(100) 的一個(gè)或多個(gè)特征的步驟，所述特征包括材料選擇、納米級柱體高度、納米級柱體側(cè)壁形狀、納米級金屬碟形狀、納米級金屬點(diǎn)結(jié)構(gòu)間隔(140a、140b )、金屬材料和金屬背板構(gòu)造。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中選擇所述納米級金屬點(diǎn)結(jié)構(gòu)間隔包括，選擇相鄰納米級金屬點(diǎn)結(jié)構(gòu)之間的間隙距離(140b)和/或選擇所述納米級金屬碟與相鄰納米級金屬點(diǎn)結(jié)構(gòu)之間的間隙間隔(140a)。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中檢測光的所述步驟檢測與所述物質(zhì)的表面上的分子或其他材料的所述檢測關(guān)聯(lián)的光信號，所述光信號選自包括如下的一組光信號熒光光信號、光致發(fā)光光信號和表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS )光信號。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述檢測的光是包括所述物質(zhì)的所述表面附近生成或入射到所述物質(zhì)的所述表面的光的光信號，其具有范圍從IOnm到30微米的波長。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述檢測的光是包括所述物質(zhì)或所述增強(qiáng)結(jié)構(gòu) (100)的所述表面附近生成或入射到所述物質(zhì)或所述增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(100)的所述表面的光的光信號，其具有大致接近所述納米級柱體(120)和納米級金屬碟(130)結(jié)構(gòu)的共振峰值波長的波長。
11.一種納米級結(jié)構(gòu)(100)，其在材料處增強(qiáng)入射光引起的局部電場、光的吸收、所述材料的所述表面處生成的光的所述輻射，所述納米級結(jié)構(gòu)(100)包括基片(110)；從所述基片的表面延伸的至少一個(gè)柱體(120)；敷設(shè)在每個(gè)柱體的頂部上的金屬碟(130)；位于每個(gè)柱體的底部的金屬背板(150)，所述金屬背板覆蓋所述基片表面的大部分；以及敷設(shè)在每個(gè)柱體的外部垂直表面(120s)上的至少一個(gè)金屬點(diǎn)結(jié)構(gòu)(140)。
12.如權(quán)利要求11所述的納米級結(jié)構(gòu)，其中所述基片(110)是電絕緣體。
13.如權(quán)利要求11所述的納米級結(jié)構(gòu)，其中所述基片(110)是電介質(zhì)絕緣體。
14.如權(quán)利要求11所述的納米級結(jié)構(gòu)，其中所述基片(110)是半導(dǎo)體。
15.如權(quán)利要求11所述的納米級結(jié)構(gòu)，其中所述基片(110)是層疊結(jié)構(gòu)，以及其中所述基片(110)的所述表面處的層(120a)是電絕緣體或半導(dǎo)體；以及其中所述基片在所述表面處的所述層下方的本體是任何固體材料。
16.如權(quán)利要求11所述的納米級結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個(gè)柱體(120)的所述頂部具有選自如下形狀組成的形狀的集合的形狀圓形、尖頭、多邊形、錐體、橢圓、細(xì)長條形或其任何組合。
17.如權(quán)利要求11所述的納米級結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個(gè)柱體(120)具有柱狀、傾斜的或曲線形的側(cè)壁表面(120s)。
18.如權(quán)利要求11所述的納米級結(jié)構(gòu),其中所述至少一個(gè)柱體(120)具有范圍從5nm 到7000nm的高度和范圍從5nm到8000nm的直徑。
19.如權(quán)利要求11所述的納米級結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個(gè)柱體(120)是從所述基片 (110)的所述表面延伸的多個(gè)柱體中的一個(gè)。
20.如權(quán)利要求19所述的納米級結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)柱體中的柱體(120)之間的間隔在從2nm到4000nm的范圍。
21.如權(quán)利要求19所述的納米級結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)柱體(120)包括柱體的周期性陣列，其中間隔是為了將光的吸收或輻射最大化相對于選定的波長的所述光來選擇的。
22.如權(quán)利要求11所述的納米級結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個(gè)柱體(120)包括絕緣體或半導(dǎo)體。
23.如權(quán)利要求11所述的納米級結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個(gè)柱體(120)包括選自如下材料組成的集合的材料二氧化硅、氮化硅、二氧化鉿、氧化鋁、硅、砷化鎵和氮化鎵。
24.如權(quán)利要求11所述的納米級結(jié)構(gòu)，其中所述金屬碟(130)包括選自如下金屬組成的集合中的金屬金、銀、銅、鋁、其合金或其組合。
25.如權(quán)利要求11所述的納米級結(jié)構(gòu)，其中所述金屬碟(130)的表面具有選自如下形狀組成的形狀的集合的構(gòu)造圓形、尖頭、多邊形、橢圓、條形或其組合。
26.如權(quán)利要求11所述的納米級結(jié)構(gòu)，其中所述金屬碟(130)的側(cè)向尺寸在從5nm到 1500nm的范圍，并且所述金屬碟的垂直厚度在從Inm到500nm的范圍。
27.如權(quán)利要求11所述的納米級結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個(gè)金屬點(diǎn)結(jié)構(gòu)(140)具有選自如下形狀組成的形狀的集合的形狀大致球形、圓形、多邊形、細(xì)長形或其組合。
28.如權(quán)利要求11所述的納米級結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個(gè)金屬點(diǎn)結(jié)構(gòu)(140)具有范圍在3nm到600nm的尺寸。
29.如權(quán)利要求11所述的納米級結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個(gè)柱體(120)上的所述至少一個(gè)金屬點(diǎn)結(jié)構(gòu)(140)與所述金屬碟(130)之間的間隙(140a)在從O. 5nm到600nm的范圍。
30.如權(quán)利要求11所述的納米級結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個(gè)金屬點(diǎn)結(jié)構(gòu)(140)是每個(gè)柱體(120)的外部垂直表面(120s)上敷設(shè)的多個(gè)金屬點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的一個(gè)，所述柱體上的所述多個(gè)金屬點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)通過間隙(140b)分隔開。
31.如權(quán)利要求30所述的納米級結(jié)構(gòu)，其中相鄰金屬點(diǎn)結(jié)構(gòu)之間的所述間隙(140b)在從O. 5nm到600nm的范圍中變化。
32.如權(quán)利要求11所述的納米級結(jié)構(gòu)，其中所述金屬背板(150)具有至少一個(gè)孔，以及所述至少一個(gè)柱體(120)在所述孔內(nèi)從所述基片(110)的所述表面伸出。
33.如權(quán)利要求11所述的納米級結(jié)構(gòu)，其中所述金屬背板(150)具有范圍從Inm到 2000nm，優(yōu)選為從50nm到200nm的厚度。
34.如權(quán)利要求11所述的納米級結(jié)構(gòu)，其中所述金屬背板(150)由選自如下金屬組成的金屬的集合中的金屬構(gòu)成金、銀、銅、鋁、其合金或其組合。
35.如權(quán)利要求11所述的納米級結(jié)構(gòu)，其中所述金屬背板(150)敷設(shè)在所述基片(110) 的絕緣表面上。
36.如權(quán)利要求11所述的納米級結(jié)構(gòu)，其中所述金屬背板(150)在所述至少一個(gè)柱體 (120)下方延伸并定義所述基片(110)的所述表面。
37.如權(quán)利要求11所述的納米級結(jié)構(gòu)，其中所述金屬背板(150)和所述金屬碟(130) 由相同的金屬材料形成。
38.如權(quán)利要求11所述的納米級結(jié)構(gòu)，其中所述金屬背板(150)和所述至少一個(gè)柱體 (120)由不同的材料形成。
39.如權(quán)利要求11所述的納米級結(jié)構(gòu)，其中所述光特征由一組光特征中的至少一個(gè)光特征組成，所述一組光特征包括入射光引起的局部電場、光的吸收、所述材料的所述表面處生成的光的輻射。
40.如權(quán)利要求11所述的納米級結(jié)構(gòu)，其中所述光特征是與結(jié)構(gòu)表面上的分子或其他材料的所述檢測關(guān)聯(lián)且選自一組光信號的光信號，所述一組光信號包括熒光光信號、光致發(fā)光光信號和表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)光信號。
41.如權(quán)利要求11所述的納米級結(jié)構(gòu)，其中所述光特征是包括所述基片的所述表面附近生成或入射到所述基片的所述表面的光的光信號，其具有范圍從IOnm到30微米的波長。
42.根據(jù)權(quán)利要求11所述的納米級結(jié)構(gòu)，其中所述光特征是包括所述基片的所述表面附近生成或入射到所述基片的所述表面的光的光信號，其具有大致接近所述柱體和碟結(jié)構(gòu)的共振峰值波長的波長。
43.一種用于增強(qiáng)局部電場、吸收光或輻射光的裝置(100)，其包括具有導(dǎo)電表面(150)的基片(110)；敷設(shè)在所述導(dǎo)電表面(150)上的納米級柱體(120)的陣列，所述納米級柱體(120)中的每一個(gè)定義支承導(dǎo)電碟(130)與所述導(dǎo)電表面(150)分隔開的柱狀桿體(120s)；多個(gè)導(dǎo)電點(diǎn)結(jié)構(gòu)(140)，其以介于所述導(dǎo)電表面(150)與所述導(dǎo)電碟(130)之間的間隔布置敷設(shè)在所述柱狀桿體的外表面(120s)上；以及其中所述導(dǎo)電表面柱體、碟、點(diǎn)結(jié)構(gòu)以及其之間的間隙(140a，140b)的納米級尺寸選為增強(qiáng)所述裝置(100)附近的材料的局部電場、光吸收特性或光輻射特性。
全文摘要
公開了微米結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)(100)，其由基片(110)、以金屬碟(130)蓋頂?shù)闹w(120)的陣列、敷設(shè)在柱體的側(cè)壁上的金屬點(diǎn)(簇群或顆粒)(140)以及金屬背板(150)組成，其能夠相互作用以增強(qiáng)局部電場、光的吸收和光的輻射。還公開了制造結(jié)構(gòu)(100)的方法。還公開了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)表面上的分子和其他材料的檢測中的光信號(如熒光、光致發(fā)光和表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS))的結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。
文檔編號G01N27/26GK103026298SQ201180035425
公開日2013年4月3日 申請日期2011年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月21日
發(fā)明者斯蒂芬·Y.·周, 李文迪 申請人:普林斯頓大學(xué)