通过共振耦合实现电磁场增强的纳米结构及其制造方法技术

通过共振耦合实现电磁场增强的纳米结构，包括基底，在基底上设置有纳米光栅，在基底和纳米光栅上沉积有金属层，进而形成纳米缝隙，所述纳米光栅的周期为400nm～1000nm，光栅高度100nm～400nm，两条相邻光栅间的狭缝宽度为4nm～40nm。制造该纳米结构时，首先初步确定光栅结构的周期范围，再通过计算机模拟确定最终的光栅结构参数，最后采用微纳加工技术进行制造。本纳米结构通过同时激发多种不同模式的共振并将其耦合到一起，以获得强烈局域的电磁场，从而可以实现超高的电磁场增强效果，且制造的纳米结构均一性好。

【技术实现步骤摘要】
通过共振耦合实现电磁场增强的纳米结构及其制造方法
本专利技术属于纳米光学和微纳加工领域，具体涉及一种通过共振耦合实现电磁场增强的纳米结构及其制造方法。
技术介绍
利用纳米结构进行电磁场调控的研究近来获得了广泛的关注，能够调控电磁场的纳米结构可以应用在光学、纳米电子器件、生物医学检测等诸多领域。纳米结构对电磁场的调控主要体现为对电磁场的增强作用。增强电磁场的强度主要通过不同模式的共振限制电磁场的区域来实现。因此可以设计与制造各种能够产生共振的纳米结构来实现电磁场的高度局域。能够产生电磁场增强作用的共振模式有传播型表面等离子体共振、局域型表面等离子体共振、法布里-珀罗共振等共振模式。目前已经有大量基于各种不同模式的共振设计的纳米结构，主要包括各种纳米颗粒、纳米线、纳米棒、纳米团簇、以及其他一些形状的规则排列的纳米阵列结构，例如一些纳米光栅、纳米缝隙、蝴蝶结阵列、倒金字塔阵列等金属纳米结构。这些纳米结构广泛应用于表面增强拉曼、生物传感等领域，通过对反馈电磁场的大幅度增强来实现极低浓度的物质的检测。其中纳米颗粒、纳米线、纳米棒、纳米团簇等不能实现高度规则排列的纳米结构主要是通过激发局域型表面等离子体共振来实现电磁场增强的，其主要原理是上述纳米结构在入射电磁场的作用下，纳米结构表面的电子发生电磁振荡，当振荡频率和入射电磁波频率一致时发生共振，形成偶极子场或更高阶的场，以此来实现对电磁场的增强；此类纳米结构主要通过化学合成、分子自组装的方法制造。而纳米光栅、蝴蝶结结构、倒金字塔结构等能够高度规则排列的纳米结构则主要是通过激发传播型表面等离子体共振来实现电磁场的增强，其主要原理是通过补偿入射电磁波能量，使入射电磁波波矢与表面等离子体波矢相匹配，由此实现共振。此类规则排列的纳米阵列结构主要通过常用的微纳加工技术制造，例如电子束光刻、极紫外光刻等技术，除此之外也可采用一些复杂工艺通过反复的光刻、刻蚀、沉积等手段来制造。现有的纳米结构都是主要基于传播型表面等离子体共振或者局域型表面等离子体共振其中一种单一的共振模式而进行设计的，不能同时激发不同模式的共振，不能将不同的共振模式耦合起来，因此难以实现超高强度的增强。另外，不能实现高度规则排列的纳米结构在制造时难以保证均一性，对于此类纳米结构，非同一批次制造的纳米结构基本不能保证增强效果的一致性。规则排列的纳米阵列结构需要极其精密的设备，制作成本高昂，而其他一些方法则存在工艺复杂的缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种通过多种共振耦合实现超高电磁场增强的纳米结构及其制造方法，通过同时激发多种不同模式的共振并将其耦合到一起，以获得强烈局域的电磁场，从而可以实现超高的电磁场增强效果，且制造的纳米结构均一性好。本专利技术采取的技术方案是：通过共振耦合实现电磁场增强的纳米结构，包括基底，在基底上设置有纳米光栅，在基底和纳米光栅上沉积有金属层，进而形成纳米缝隙，所述纳米光栅的周期为400nm～1000nm，光栅高度100nm～400nm，两条相邻光栅间的狭缝宽度为4nm～40nm。此处说的共振耦合是传播型表面等离子体共振、局域型表面等离子体共振、法布里-珀罗共振的共振耦合，且三者的共振耦合是基于所述纳米结构而实现的。进一步的，当激发激光波长为785nm时，对应的纳米光栅的周期为600nm，光栅高度150nm，两条相邻光栅间的狭缝宽度为20nm。一种实现电磁场增强的纳米结构的制造方法，包括以下步骤：(1)初步确定光栅结构的周期范围根据通过光栅耦合产生传播型表面等离子体共振的原理，由以下公式初步确定光栅结构的周期范围；式中，kx是金属光栅的表面等离子体波的波矢、ω是入射激光的角频率，c是光在真空中传播的速度、ε2是纳米结构表面介质的介电常数、θ是入射激光的入射角、θ是光栅的衍射级次、Λ是光栅的周期；通过该公式可以粗略计算出光栅的周期，用于缩小模拟的范围。(2)计算机模拟确定最终的光栅结构参数在初步确定的光栅结构周期以及利用经验法得到的光栅高度和宽度范围内，按照设定的步长逐步变化各结构参数，通过计算机模拟软件进行模拟，获得电磁场强度分布，模拟过程为，在计算机上构建出所需要的结构，然后模拟使用固定波长的激光对结构进行激发，根据软件反馈的结果(主要是电磁场强度分布和反射谱曲线)，不断改变结构的周期、高度、宽度，得到一个在所使用的固定波长激光激发下能够出现最高电磁场强度的周期、高度、宽度，即为实际制造时所采用的参数。将最强电磁场所对应的纳米缝隙的周期、宽度、高度确定为最终的光栅结构参数；所述光栅结构参数范围分别为周期400nm～1000nm，光栅高度100nm～400nm，狭缝宽度4nm～40nm；其中，确定周期的目的是在特定入射激光波长下实现传播型表面等离子体共振的激发，确定狭缝宽度的目的是在特定入射激光波长下实现局域型表面等离子体共振的激发，确定光栅高度的目的是在特定入射激光波长下实现法布里-泊罗共振的激发。(3)采用微纳加工技术进行制造选取设有一维纳米光栅的基底，向该纳米光栅上沉积一层金属，在沉积过程中，通过调节相应参数，使一维纳米光栅的凸起部分和凹槽部分的沉积速率的差值保持在0.25nm/s，所述相应参数分别为凸起部分的高度、光栅的占空比、倾斜角度、沉积金属膜厚，各参数对应的调节范围依次为：50-200nm、0.1-0.5、40°-80°、50nm-400nm，不同的沉积速率使得凸起部分和凹槽部分的沉积厚度不同而形成纳米缝隙，沉积完成后即可得到所要的纳米结构。进一步的，步骤四所述金属选自高导电率的金、银、铜、铝。本专利技术的有益效果：本专利技术通过设计合适的几何结构，将三种不同机理的共振在同一纳米结构上同时激发，再调节具体的结构参数，可以实现三者的耦合，由此可以在同一纳米结构上实现极高强度的电磁场增强，其中，三种共振中的传播型表面等离子体共振可以通过光栅或其他粗糙表面来激发，局域型表面等离子体共振可以通过纳米缝隙之间的偶极矩场来形成，法布里-珀罗共振可以通过调节类似于共振腔的纳米缝隙的高度来形成；具体来讲就是通过设定纳米结构的纳米缝隙的高度、宽度、以及整个纳米缝隙阵列的周期，对于确定波长的电磁波，通过调节纳米缝隙高度和和宽度产生高强度的局域表面等离子体共振和法布里-珀罗共振与大面积纳米缝隙阵列的粗糙表面所产生的传播型表面等离子体共振形成互相耦合，由此形成高度的电磁场局域，从而实现极高强度的电磁场增强。如果粗糙表面设定为周期性一维纳米光栅，设定与激发波长相匹配的光栅周期，可以激发更强的传播型表面等离子体共振，在与局域表面等离子体共振和法布里-泊罗共振耦合后可以实现更高强度的电磁场增强。本专利技术的制造方法采用微纳加工技术，可以将大面积纳米缝隙阵列制造成高度规则排列的阵列结构，从而可以保证均一性，使得不同批次制造的所述纳米结构可以获得相同的增强效果，其原理是通过具有特定形状的纳米结构基底在沉积时产生的遮蔽效应，使得纳米结构基底的不同位置的沉积速率不同，调节纳米结构基底的具体形状，可以使某一位置的沉积速率较快，使其相邻位置沉积速率较慢，从而在两区域之间形成纳米缝隙得到新的所述纳米结构，尤其是通过一维纳米光栅形成的缝隙具有较好的周期性规则排列，这种结构激发传播型表面等离子体共振可达到最佳效果。这种方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.通过共振耦合实现电磁场增强的纳米结构，其特征在于，包括基底，在基底上设置有纳米光栅，在基底和纳米光栅上沉积有金属层，进而形成纳米缝隙，所述纳米光栅的周期为400nm～1000nm，光栅高度100nm～400nm，两条相邻光栅间的狭缝宽度为4nm～40nm。

【技术特征摘要】
1.通过共振耦合实现电磁场增强的纳米结构，其特征在于，包括基底，在基底上设置有纳米光栅，在基底和纳米光栅上沉积有金属层，进而形成纳米缝隙，所述纳米光栅的周期为400nm～1000nm，光栅高度100nm～400nm，两条相邻光栅间的狭缝宽度为4nm～40nm。2.如权利要求1所述的通过共振耦合实现电磁场增强的纳米结构，其特征在于，当激发激光波长为785nm时，对应的纳米光栅的周期为600nm，光栅高度150nm，两条相邻光栅间的狭缝宽度为20nm。3.如权利要求1所述纳米结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)初步确定光栅结构的周期范围根据通过光栅耦合产生传播型表面等离子体共振的原理，由以下公式初步确定光栅结构的周期范围：式中，kx是金属光栅的表面等离子体波的波矢、ω是入射激光的角频率，c是光在真空中传播的速度、ε2是纳米结构表面介质的介电常数、θ是入射激光的入射角、m是光栅的衍射级次、Λ是光栅的周期；(2)计算机模拟确定最终的光栅结构参数在初步确定的光栅结构周期以及利用经验法得到的光栅高度和宽度范围内，按照设定的步长逐步变化各结构参数，通过计算机模拟软件进行模拟，获得电磁场...

【专利技术属性】
技术研发人员：李明，蒋之森，李文雪，庞霖，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51