一種寬帶增強拉曼散射的微納芯片的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種寬帶增強拉曼散射的微納芯片，同時具有較低的光熱效應。本實用新型由蝴蝶結金屬結構與環(huán)狀金屬結構相互耦合實現(xiàn)，蝴蝶結結構位于環(huán)狀金屬結構的中心，整個芯片設置在石英玻璃上。蝴蝶結金屬結構包含長度L、開角θ和間隙距離g1三個重要的參數(shù)；環(huán)狀金屬結構包括內徑Ri和環(huán)狀金屬結構的厚度Tr，蝴蝶結金屬結構的邊沿與環(huán)狀金屬內側壁之間間隔為g2，蝴蝶結金屬結構和環(huán)狀金屬結構的高度一樣；其中，Ri＝L+g1/2+g2；改變蝴蝶結的長度L和開角θ大小能夠改變第一個共振峰的位置；改變環(huán)狀金屬結構的厚度Tr能夠改變第二個共振峰的位置。本實用新型同樣解決了寬帶增強結構的尺寸問題,通過單個微納結構就可以實現(xiàn)。
【專利說明】
一種寬帶増強拉曼散射的微納芯片
技術領域
[0001] 本實用新型屬于表面增強拉曼光譜分析領域，尤其涉及一種寬帶增強拉曼散射的 微納芯片，同時具有較低的光熱效應，主要應用于檢測物質的振動轉動能級情況，鑒別物 質，分析物質的性質。
【背景技術】
[0002] 拉曼光譜分析是一種對不同頻率的激發(fā)光散射光譜信號進行基于拉曼效應的分 析，從而得到關于分子內部振動或轉動信息的重要光譜檢測手段。由于分子的拉曼散射信 號弱，直接探測尤為困難。目前主要通過化學手段改變拉曼分子的散射截面，以及設計共振 結構增強局域電磁場來提高拉曼光譜的信噪比，其中局域場增強效應是表面增強拉曼散射 (SERS)的主要機制。表面等離子體共振是導體表面自由電子的集體振蕩行為，可將電磁場 局域在金屬表面結構附近，從而極大地增強局域近場，由于貴金屬比如(金、銀)支持局域表 面等離子共振模式，從而被廣泛的用于SERS襯底中。
[0003] 目前用于增強拉曼散射信號的結構有蝴蝶結、環(huán)形、顆粒簇等，但這些結構的工作 帶寬有限，帶寬通常在l〇〇nm左右，僅對于短波數(shù)拉曼信號有效，對于長波數(shù)拉曼或者hyper 拉曼增強適用效果會大幅減弱。另外，還有雙波長等離子共振結構，雖然可以將拉曼增強擴 展到2000CHT1，解決了長波束拉曼增強的問題，但這種結構只能針對某些特定的分子，對于 增強不同的拉曼信號，都需要重新設計結構，實際應用起來繁瑣且費用昂貴。與此同時，也 有一些研究使其結構工作在寬帶范圍內，包括將多個工作在不同頻帶的窄帶結構制備在一 起以及基于分形幾何學設計的等離子體結構，然而它們都存在著尺寸較大不利于集成以及 局域場增強空間位置不在同一區(qū)域的缺陷，都不能很好地適用于寬帶增強拉曼散射中。此 外，上述設計的結構都是工作在等離子體共振模式下，忽略了表面增強拉曼散射中的光熱 效應。這種光熱效應是由金屬固有的吸收損耗導致的，共振吸收的光能量會轉化成熱能， 使得金屬結構的溫度上升，一方面會改變金屬和周圍環(huán)境介質的性質，另一方面會破壞分 析的拉曼分子結構。因此上述的器件結構都不適合工作在高功率激發(fā)下。
[0004] 為了解決上述問題，我們設計了一種寬帶增強的等離子體微納結構來實現(xiàn)寬帶范 圍內的拉曼信號增強。不同于以往復雜的多共振結構，該結構僅基于兩個共振的耦合效應 就能實現(xiàn)寬帶范圍內的電磁場增強，帶寬達到700nm以上，同時具有較低的光熱效應。總體 結構簡單，與已有的制備工藝兼容，且可以調節(jié)結構尺寸工作在可見光或紅外波段內。

【發(fā)明內容】

[0005] 本實用新型創(chuàng)造旨在解決拉曼光譜檢測中的帶寬問題，提出了一種寬帶增強拉曼 散射的微納芯片，同時具有較低的光熱效應。該芯片能在寬帶范圍內同時實現(xiàn)激發(fā)光頻率 和拉曼散射頻率處的增強，對于不同的拉曼分子，不需要重復設計，適用于短波數(shù)、長波數(shù) 以及hyper拉曼分析。此外，本實用新型同樣解決了寬帶增強結構的尺寸問題，通過單個微 納結構就可以實現(xiàn)。
[0006] 本實用新型芯片由蝴蝶結金屬結構與環(huán)狀金屬結構相互耦合實現(xiàn)，蝴蝶結金屬結 構位于環(huán)狀金屬結構的中心，整個芯片設置在石英玻璃上。且可以通過改變蝴蝶結金屬結 構與環(huán)狀金屬結構之間的間隙L，改變兩者的耦合強度。
[0007] 蝴蝶結金屬結構包含長度L、開角0和間隙距離gl三個重要的參數(shù);環(huán)狀金屬結構 包括內徑心和環(huán)狀金屬結構的厚度Tr，蝴蝶結金屬結構的邊沿與環(huán)狀金屬內側壁之間間隔 為g2,蝴蝶結金屬結構和環(huán)狀金屬結構的高度一樣;其中，Ri = L+gi/2+g2。
[0008] 所述的蝴蝶結金屬結構與環(huán)狀金屬結構的材料的介電常數(shù)為負，能夠選擇金、銀、 銅、鋁。考慮到激發(fā)光在可見和近紅外波段，以及材料的穩(wěn)定性，優(yōu)選金作為結構材料。
[0009] 本實用新型有益效果如下：
[0010] (1)本實用新型通過設計一個簡單的等離子體共振結構解決了表面增強拉曼光譜 領域內的一大難題，實現(xiàn)了大寬帶波數(shù)范圍內的拉曼散射信號的增強，相比于其他寬帶結 構設計，可大大減少工藝復雜程度，可通過電子束曝光、聚焦離子束刻蝕或納米壓印制備加 工，相比于窄帶增強結構，適用于不同分子的檢測要求，不需要重復設計。
[0011] (2)能在同一空間位置，在寬帶范圍內同時實現(xiàn)激發(fā)光信號和拉曼散射的信號增 強，大大減小了結構尺寸，便于集成。
[0012] (3)本實用新型的結構設計十分靈活，可以通過改變結構尺寸，調節(jié)共振鋒的位 置，使其工作在可見光或者紅外波段
[0013] (4)本實用新型實現(xiàn)了單個結構在寬帶范圍，同一空間位置上的拉曼增強，可以制 備在探針上進行掃描測量。也可以設計成周期性陣列結構實現(xiàn)表面增強拉曼散射襯底。
[0014] (5)本實用新型考慮了以往表面增強拉曼散射中容易忽略的一方面:光熱效應，在 非共振模式下，保持較高的電磁場增強同時具有較低的熱效應。
【附圖說明】
[0015] 圖1為一種基于等離子體光學納米天線的寬帶增強拉曼散射元件的俯視圖。
[0016] 圖2為數(shù)值仿真得到的寬帶天線結構的電場增強譜。
[0017] 圖3為數(shù)值仿真得到的寬帶天線結構的熱生成。
【具體實施方式】
[0018] 下面結合附圖對本實用新型作進一步說明。
[0019] 如圖1所示為本實用新型芯片的俯視圖，圖中黑色圖案代表結構材料，這里我們使 用的是金，蝴蝶結金屬結構位于納米環(huán)的中心。整個結構單元設計在石英玻璃上，這與實際 芯片工作的條件一致。相比于其他結構復雜的寬帶結構，本實用新型芯片結構非常簡單，由 蝴蝶結金屬結構與環(huán)狀金屬結構相互耦合實現(xiàn)，且可以通過改變環(huán)形結構與蝴蝶結結構之 間的間隙g 2,改變兩者的耦合強度。這兩種結構之前都被很好地研究以及制備過，工藝已 經很成熟，然而兩者相互耦合形成的寬帶效應目前還沒有系統(tǒng)地研究過。
[0020] 以下給出本實用新型設計的一個具體實施例子。具體研究單個結構實現(xiàn)的寬帶局 域電場增強效應，設計的結構放置于石英玻璃上，可工作在反射和透射模式中，設置石英玻 璃的折射率為1.45。且考慮到實驗工藝的精度，我們假設制備的蝴蝶結結構曲率半徑Rd為 6nm，蝴蝶結金屬結構包含長度L、開角0和間隙距離 gl三個重要的參數(shù);環(huán)狀金屬結構包括 內徑心和環(huán)狀金屬結構的厚度Tr，蝴蝶結金屬結構的邊沿與環(huán)狀金屬內側壁之間間隔為g2， 蝴蝶結金屬結構和環(huán)狀金屬結構的高度一樣;其中，Ri = L+gi/2+g2。
[0021 ]具體的一個實例參數(shù)如下：
[0022]本設計的一個案例是針對的是用785nm激光激發(fā)，探測0~SOOOcnf1范圍內的拉曼 散射信號。蝴蝶結金屬結構和環(huán)狀金屬結構的高度一樣，均為40nm。
[0023] L = 72nm，9 = 60。，gi = 10nm，Ri = 85nm，Tr = 60nm，g2 = 8nm
[0024] 改變蝴蝶結的長度L和開角0大小能夠改變第一個共振峰的位置，使之與激發(fā)光波 長匹配。改變環(huán)狀金屬結構的厚度Tr能夠改變第二個共振峰的位置。蝴蝶結金屬結構和環(huán) 狀金屬結構的間隙距離分重要，兩者距離較小時，耦合較強，寬帶效應明顯，距離逐漸 增大時，耦合效應減弱，寬帶增強逐漸變?yōu)殡p波長共振，最后只有單個共振。圖2為數(shù)值仿真 得到的寬帶天線結構的電場增強譜。該譜測量的是蝴蝶結中心點處以及蝴蝶結上表面距離 尖端lnm處的電場強度增強因子G。拉曼增強近似值R可以用以下表達式得到：
[0025] 其中代表拉曼激發(fā)波長的電場強度增強，Gm代表拉曼散射波 長的電場強度增強。根據這個表達式得到蝴蝶結間隙中心點的拉曼增強在700nm帶塊內達 到為1〇6以上，距離尖端lnm處的拉曼增強達到107~108。雖然比起有些結構在強度上有些削 弱，然而我們的帶寬可以達到很大，更具有實用價值。
[0026]圖3為數(shù)值仿真得到的寬帶天線結構的熱生成譜，在700~1200nm范圍內具有較低 的熱生成，同時觀察圖2中，在該范圍內保持了較高的電磁場增強。相比于其他共振結構，具 有明顯的優(yōu)勢。
【主權項】
1. 一種寬帶增強拉曼散射的微納芯片，其特征在于由蝴蝶結金屬結構與環(huán)狀金屬結構 相互耦合實現(xiàn)，蝴蝶結金屬結構位于環(huán)狀金屬結構的中心，整個芯片設置在石英玻璃上。2. 如權利要求1所述的寬帶增強拉曼散射的微納芯片，其特征在于蝴蝶結金屬結構包 含長度L、開角Θ和間隙距離gl三個重要的參數(shù);環(huán)狀金屬結構包括內徑心和環(huán)狀金屬結構的 厚度IV，蝴蝶結金屬結構的邊沿與環(huán)狀金屬內側壁之間間隔為g 2,蝴蝶結金屬結構和環(huán)狀金 屬結構的高度一樣;其中，Ri = L+gl/2+g2;改變蝴蝶結的長度L和開角Θ大小能夠改變第一個 共振峰的位置;改變環(huán)狀金屬結構的厚度T r能夠改變第二個共振峰的位置。3. 如權利要求1所述的寬帶增強拉曼散射的微納芯片，其特征在于所述的蝴蝶結金屬 結構與環(huán)狀金屬結構的材料的介電常數(shù)為負，包括金、銀、銅、鋁。4. 如權利要求3所述的寬帶增強拉曼散射的微納芯片，其特征在于所述的蝴蝶結金屬 結構與環(huán)狀金屬結構的材料為金。5. 如權利要求1所述的寬帶增強拉曼散射的微納芯片，其特征在于所述的蝴蝶結金屬 結構與環(huán)狀金屬結構之間的間隙范圍為O~20nm。6. 如權利要求5所述的寬帶增強拉曼散射的微納芯片，其特征在于所述的蝴蝶結金屬 結構與環(huán)狀金屬結構之間的間隙為8nm。7. 如權利要求2所述的寬帶增強拉曼散射的微納芯片，其特征在于所述的蝴蝶結金屬 結構與環(huán)狀金屬結構之間的間隙g2的改變會影響兩者的耦合強度的變化。
【文檔編號】G01N21/65GK205562392SQ201520849037
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2015年10月29日
【發(fā)明人】何賽靈, 雍征東, 陳飛鴻
【申請人】亙冠智能技術（杭州）有限公司