[發明專利]一種二維周期性V型金屬等離子共振結構及其制備方法

有效

• 申請號: 201310192785.2
• 申請日: 2013-05-21
• 公開（公告）號: CN103288046A
• 公開（公告）日: 2013-09-11
• 發明（設計）人: 呂昌貴;祁正青;王肇征;畢紀軍;葉莉華;鐘嫄;崔一平
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: B82B1/00
• 分類號: B82B1/00;B82B3/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明屬于檢測設備領域，特別涉及一種用于超高靈敏精確氣體分子檢測的二維周期性V型金屬等離子共振結構，還涉及該結構的制備方法。

背景技術

拉曼散射(RS)是光的一種散射現象，是當單色入射光的光子與待測分子相互作用，發生非彈性碰撞，光子與分子之間發生能量交換，光子改變運動方向和頻率所發生的散射。拉曼光譜(RS)被稱為分子的指紋譜，可用于結構分析，具有明確的指向性。根據拉曼散射的指紋特性，無須標記的拉曼散射技術可以直接識別出氣體分子。

然而，由于自發拉曼散射截面低（～10^－30cm²）而導致的探測靈敏度差、所需激發光功率高和數據采集時間長等問題，極大限制了拉曼散射在分子識別領域中的應用。為了改善拉曼散射的靈敏度，科學家們隨后發展出了受激拉曼和相干反斯托克斯拉曼檢測技術，然而這些技術都基于三階非線性過程，同樣要求較高的激發光功率密度，未能從根本上改善拉曼檢測靈敏度。因此，有效提高拉曼散射截面成為拉曼散射成像技術的關鍵所在。

近幾年發展迅速的表面等離子共振器件，可以實現幾個數量級的局域場增強。表面等離子共振是指光照射在金屬納米結構上激發起金屬表面電子的集體振蕩。這樣的電子振蕩與平表面上激發起的振蕩方式不同，它不會傳播，所以也叫局域表面等離子共振。局域共振形成的場增強不僅增強了拉曼散射的激發過程還增強了發射過程，使得拉曼散射截面近似正比于電場增強因子的4次方，從而極大提高了拉曼散射截面。因此基于表面等離子共振結構的拉曼散射是實現高靈敏度拉曼檢測的有效解決方案之一。

目前用于拉曼散射增強的表面等離子共振結構從最初的粗糙金屬表面發展到有序排列納米顆粒，制作方法也從簡單的鍍膜法發展到自組裝法、納米球印刷法和電子束曝光法等。其發展的目標在于兩個方面：

第一，尋求更高的局域場增強因子。目前采用的二維周期性V型金屬等離子共振結構單元（如金屬納米顆粒、蝴蝶結對、粗糙的金屬基底等）大都可歸類為單個金屬納米顆粒（如圖1中的納米球和納米棒）或金屬納米顆粒對（如圖1中的納米球對和蝴蝶結對）的結構。金屬納米顆粒對結構的增強因子要遠高于單個金屬納米顆粒的增強因子。金屬納米顆粒對之間的間距大小直接決定了增強因子的大小，間距越小增強因子越大。因此，尋求更高的局域場增強因子在一定程度上也是尋求減小納米結構對之間間距的方法；然而，當前的制備工藝難以將蝴蝶結對的間距穩定控制到幾個納米量級。

第二，如何保證需要檢測的目標分子恰好在局域場增強的范圍內。上述的共振增強結構中具有高增強因子的局域場范圍所占的空間比例都極小，因此在被測的目標分子經過上述金屬增強結構單元時，只有極少數目標分子通過增強場被檢測到，而絕大多數目標分子被忽略，從而導致靈敏度急劇下降甚至遺漏信號。

發明內容

發明目的：本發明的第一目的是提供一種靈敏度高、精密度高的二維周期性V型金屬等離子共振結構。

本發明的第二目的是提供上述二維周期性V型金屬等離子共振結構的制備方法。

技術方案：本發明提供的一種二維周期性V型金屬等離子共振結構，包括襯底和金屬膜；所述襯底的形狀為V型凹槽，V型凹槽底部設有狹縫；所述金屬膜設于襯底的上表面上和V形凹槽內。

作為優選，所述襯底為晶體硅襯底，晶體硅襯底的上表面晶向為（100），晶體硅襯底的V形凹槽斜面晶向為（111）。

作為另一種優選，所述金屬膜為金膜或銀膜。

作為另一種優選，所述V形凹槽的斜面傾斜角為54.7°。

作為另一種優選，襯底的厚度為微米量級，金屬膜的厚度約為50-100納米，優選100納米；狹縫大小為納米量級，優選5-20納米，更優選10納米；結構周期為微米量級。

本發明還提供了上述二維周期性V型金屬等離子共振結構的制備方法，包括以下步驟：

（1）將襯底表面用勻膠機甩上一層光刻膠后，結合納米壓印技術、電子束曝光技術或聚焦離子束刻蝕工藝，制備得到包括二維光柵型掩膜的襯底；

（2）將包括二維光柵型掩膜的襯底浸入KOH水溶液中進行各向異性濕法腐蝕，得包括二維光柵型掩膜的V型結構襯底；

（3）將包括二維光柵型掩膜的V型結構襯底的光柵型掩膜去除，得具有V型結構的襯底；

（4）利用磁控濺射鍍膜工藝在具有V型結構的襯底上蒸鍍一層金屬膜，即得。

其中，步驟（2）中，KOH水溶液的質量百分比濃度為40-50%，優選44%；各向異性濕法腐蝕時，KOH水溶液的溫度為60-80℃，優選70℃。