纳米线栅结构、荧光各向异性增强装置及其制备方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种纳米线栅结构、荧光各向异性增强装置及其制备方法。该纳米线栅结构为多个条状结构线栅平行排布形成，且其结构参数为：线栅周期300‑800纳米，线栅宽度50‑400纳米；所述多个条状结构线栅厚度为40‑60纳米，其材料为金属纳米结构超材料。该装置利用超材料表面等离激元共振产生的超强局域场和超小模体积，增强荧光材料的自发辐射率和荧光强度，通过调节纳米线栅结构的线宽调制荧光增强程度，并通过调节纳米线栅结构的周期控制荧光场增强方向，从而解决了现有材料荧光信号弱以及现有技术难以调制荧光增强程度和光场偏振方向的技术问题。

Nanowire Gate Structure, Fluorescence Anisotropy Enhancement Device and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
纳米线栅结构、荧光各向异性增强装置及其制备方法
本专利技术涉及纳米材料和纳米光电子
，具体涉及一种纳米线栅结构、荧光各向异性增强装置及其制备方法。
技术介绍
强度可控的微纳光源在信号产生、信息传输、单分子照明、高灵敏传感、细胞无损探测等方面具有重要的应用价值，是光子集成技术研究的重点。近年兴起的新型二维晶体具有广泛的禁带选择性，涵盖从紫外到红外整个光谱范围，具备单原子层结构、力学稳定性、光电可调性和CMOS工艺兼容性等优异特性。但是较弱的自发辐射荧光限制了二维晶体作为微纳光源的实际应用。实现荧光增强的途径有多种。化学上，通过荧光增效试剂来增强荧光，增效试剂能与荧光较弱的物质共价或非供价结合形成荧光配合物，提高有效吸光截面增强荧光，但是却不能控制增强程度和方向。物理上，在电致发光体系中，通过增加PN节正向偏压来增加偏置电流可以提高荧光强度，但是随着正向偏压的增加，势垒区变小，PN结消失，荧光也会消失。在光致发光体系中，最直接的手段是通过提高激发光功率来提高荧光强度，但是受材料光吸收能力的限制，荧光光强随激发光功率增加会迅速趋于饱和。针对这一局限，各类光学共振腔开始被人们研究，因为共振腔可以改变荧光材料的介质环境，提高光子局域态密度，从而改变材料的自发辐射率。物理上用Purcell效应来描述荧光自发辐射增强效应，其中Purcell因子Fp是表达增强效果的最直接物理量。公式右边的Q是质量因子，取决于共振模线宽，V是模体积。Q越大，V越小，则Fp越大荧光增强越明显。随着时间延续，光学共振腔从分布布拉格反射腔、微碟共振腔、回音壁共振腔、光子晶体共振腔发展到最前沿的金属表面等离激元共振腔。共振腔材料从传统的介质发展到金属，共振模体积越来越小，从最初大于光波长到接近波长再到现在的几纳米。代表性工组有2004年PeterLodahl报道的光子晶体控制量子点自发辐射的方法，指出荧光增强的主要原因是光子晶体结构改变了荧光材料的辐射寿命。超材料的出现预示着光子器件可以不受光学衍射极限限制，向无限小型化发展。金属纳米结构超材料因超强的电磁场增强和局域能力以及结构的多样性和灵活性成为荧光增强和调制的重要技术手段。得益于超小的光学共振模体积，Purcell因子显著提高，使得荧光自发辐射率显著增强。2015年，美国西北大学的研究人员将银的纳米圆盘矩阵直接制备在二硫化钼单层表面，发现荧光光强有了12倍的增强。通过调节圆盘直径，荧光在不同波长处表现出了不同的增强效果。并指出荧光增强是表面等离子体共振模与激发场和辐射场耦合的结果。同年，美国宾夕法尼亚大学研究小组将三角形蝴蝶结金属纳米结构制备在二硫化钼单层表面，二者直接接触，使荧光强度有了高达三十倍的提高。通过调节蝴蝶结结构的周期，荧光也在不同波长处也出现了不同程度的增强。综上，这些研究对二维晶体荧光增强现象和机理进行了描述和解释，但并未从应用的角度对超材料荧光调制技术进行探索，特别是没有对荧光的各向异性增强技术开展具体的研究，因此基于表面等离激元超材料开发一种能够实际应用的荧光各向异性增强装置是十分必要的。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种纳米线栅结构、荧光各向异性增强装置及其制备方法，该增强装置利用超材料表面等离激元共振产生的超强局域场和超小模体积，以增强荧光材料的自发辐射率和荧光强度，并通过调节纳米线栅结构的线宽调制荧光增强程度；利用超材料的各向异性共振模，产生各向异性荧光场，并通过调节纳米线栅结构的周期控制场增强方向和波长位置，具备简单、高效、可调节的特性，以解决现有材料荧光信号弱以及现有技术难以调制荧光增强程度和光场偏振方向的技术问题。为了实现上述目的，根据本专利技术的第一方面，提供了一种纳米线栅结构。该纳米线栅结构为多个条状结构线栅平行排布形成，且其结构参数为：线栅周期300-800纳米，线栅宽度50-400纳米；所述多个条状结构线栅厚度为40-60纳米，其材料为金属纳米结构超材料。进一步的，所述金属纳米结构超材料为金、银或铝材料。为了实现上述目的，根据本专利技术的第二方面，提供了一种荧光各向异性增强装置。该荧光各向异性增强装置包括自下而上依次设置的高导电衬底、绝缘层、荧光层、透光介质层和上述的纳米线栅结构。进一步的，所述高导电衬底为金属或者高掺杂硅衬底。进一步的，所述绝缘层为二氧化硅层。进一步的，所述荧光层为单层二维半导体。进一步的，所述单层二维半导体为过渡金属硫族化合物原子层，所述过渡金属硫族化合物表示为MX2，其中M＝Mo或W；X＝S、Se、Te；所述单层二维半导体厚度为0-0.6纳米。进一步的，所述透光介质层为三氧化二铝或二氧化硅层，厚度为10-40纳米。进一步的，所述荧光层为有机荧光染料层；所述透光介质层为聚甲基丙烯酸甲酯层。为了实现上述目的，根据本专利技术的第三方面，提供了一种荧光各向异性增强装置的制备方法。该荧光各向异性增强装置的制备方法包括以下步骤：(1)采用化学气相沉积法将荧光层生长在附有洁净绝缘层的高导电衬底上；(2)采用电子束镀膜仪在所述荧光层上蒸镀一层透光介质层；(3)采用电子束直写技术将周期性纳米线栅结构制备在所述透光介质层上，且其部分与荧光层重合；(4)采用正电子束胶进行纳米线栅结构曝光和结构转移；(5)经过金属镀膜将金属填充到正胶结构中，最后经除胶过程制得荧光各向异性增强装置。本专利技术中荧光各向异性增强的物理机理是超材料各向异性表面等离激元共振。表面等离激元共振是由光引起的金属表面电子的集体共振行为；各向异性共振是指电磁场沿特定方向共振。只要入射光有平行或者垂直纳米线栅的电场分量，就可激发纳米线栅的各向异性共振行为，对相应方向的荧光信号进行增强。因此，本专利技术中的荧光各向异性增强装置，不但可以增强荧光，还可以对增强程度和方向进行控制。除了各向异性增强，本专利技术中的荧光各向异性增强装置还可对荧光信号产生各向异性抑制。超材料集成在荧光材料上方，通常情况下，荧光被金属结构遮挡，遮挡效果与金属面积成正比。但是当超材料发生反射共振时，反射增强效应占主导会产生超强荧光抑制效果，这时金属的遮挡效果就不再与金属面积成正比。例如，完美反射情况下荧光可以被金属结构完全遮挡，产生完美荧光抑制。因纳米线栅的强反射在特定轴向产生，使得荧光抑制也有了方向性。本专利技术中，纳米结构超材料与二维晶体集成产生的各向异性荧光光源将在纳米光传感、高分辨成像，生物结构检测领域发挥重要作用。例如，特殊电场方向的荧光信号增强会引起分子中某一结构的散射信号放大而被灵敏探测，有助于分子结构的精确分析，为医疗诊断和药物开发提供新型技术手段。将各向异性荧光增强用在照明和信号探测系统中，可以提高成像系统的分辨率，拍摄到更清晰的细胞组织像，获得更准确的组织结构变化信息，为病情诊断和康复过程提供依据。本专利技术提供的荧光各向异性增强方法将为单分子探测和生物医学研究注入新的活力。本专利技术中的荧光各向异性增强装置具有以下优势：(1)可以沿超材料轴向产生垂直方向的荧光场增强效应；(2)可以使荧光信号沿超材料不同轴向产生不同程度的增强；(3)可以使荧光信号在超材料不同轴向产生不同程度的抑制；(4)荧光增强和抑制效应可以通过结构参量连续调制；(5)具有较强的可控性和实用性。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米线栅结构，其特征在于，所述纳米线栅结构为多个条状结构线栅平行排布形成，且其结构参数为：线栅周期300‑800纳米，线栅宽度50‑400纳米；所述多个条状结构线栅厚度为40‑60纳米，其材料为金属纳米结构超材料。

【技术特征摘要】
1.一种纳米线栅结构，其特征在于，所述纳米线栅结构为多个条状结构线栅平行排布形成，且其结构参数为：线栅周期300-800纳米，线栅宽度50-400纳米；所述多个条状结构线栅厚度为40-60纳米，其材料为金属纳米结构超材料。2.根据权利要求1所述的纳米线栅结构，其特征在于，所述金属纳米结构超材料为金、银或铝材料。3.一种荧光各向异性增强装置，其特征在于，所述装置包括自下而上依次设置的高导电衬底(1)、绝缘层(2)、荧光层(3)、透光介质层(4)和纳米线栅结构(5)，并且所述纳米线栅结构(5)为权利要求1-2任一项所述的纳米线栅结构。4.根据权利要求3所述的荧光各向异性增强装置，其特征在于，所述高导电衬底(1)为金属或者高掺杂硅衬底。5.根据权利要求3所述的荧光各向异性增强装置，其特征在于，所述绝缘层(2)为二氧化硅层。6.根据权利要求3所述的荧光各向异性增强装置，其特征在于，所述荧光层(3)为单层二维半导体。7.根据权利要求6所述的荧光各向异性增强装置，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩春蕊，齐月静，王宇，叶剑挺，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11