一种稀土荧光增强天线及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种稀土荧光增强天线，包括玻璃基底，所述玻璃基底上固定设置有多个带介质材料的周期性光栅，所述带介质材料的周期性光栅包括固定设置在中间层的发光层，固定设置在发光层顶部和底部的金属Ag纳米层，以及固定设置在上层金属Ag纳米层顶部和下层金属Ag纳米层底部的保护膜；所述发光层为掺杂有稀土Eu发光量子点的介质膜；本发明专利技术采用剥离法或者光刻蚀法制备。本发明专利技术提供一种新型的基于表面等离子体增强的光栅超材料稀土辐射增强天线结构，通过在光栅内部介质层中形成磁场热电来提高稀土元素自发辐射发光效应。

A rare earth fluorescence enhanced antenna and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种稀土荧光增强天线及其制备方法
本专利技术涉及等离子体超材料
，具体涉及一种稀土荧光增强天线及其制备方法。
技术介绍
超材料是一种亚波长结构尺寸的人工设计结构材料，基于其独特的电磁学特性，在近期科学界引起了强烈的兴趣与关注。人们通过设计和控制超材料的单元结构组成进而调控结构的介电常数ε以及磁导率μ，使其表现出自然材料所没有的特异性能。2000年Smith等人设计出的超材料结构首次实现在特定微波波段具有双负特性，让人们了解到新型材料实现的可能性，此后一些前所未有的新型概念材料相继提出，例如区别于传统材料的负折射材料，具备特殊吸波能力的吸波器，分辨率小于衍射极限的完美透镜，微型纳米天线，还有只存在于科幻世界中的隐身器件等等，这些研究热点让科学界对材料科学的发展有了充满想象的全新认知。在超材料研究延展出的各种各样的热点领域中，光学磁性超材料无疑是其中最具发展前景，实用价值和产业化潜力的的应用分支。同时，在过去几十年随着点源发射领域的不断扩展，诸如点光子源、纳米激光器、信号探测等研究方向获得极大关注，如何利用微纳米结构实现电偶极子和磁偶极子跃迁的控制成为了科研难关。近些年来，除了在发射表面、波导、微腔、光子晶体等方面研究有所成果，人们逐渐把关注点放在利用磁性超材料的形成的高局域电磁场影响偶极子跃迁上。一般来说，组成自然界中物质的原子对光波等电磁场的电场分量的响应较为强烈，而对磁场分量的响应十分微弱，这导致电磁场的两只“手”中，电的这只手发挥了作用表征磁的这只“手”的信息和作用被忽视，然而磁性超材料使得磁分量的作用逐渐发挥起来。为了将光波的电场和磁场谐振效应同时发挥出来，金属与介质复合材料组成的超材料结构被认为是目前最理想的结构。目前的磁性超材料设计原则主要围绕如何在结构内部形成由自由电荷组成的环形电流，并以此在周围空间产生足够强烈的磁共振，最为经典的结构为开口谐振环结构(SplitResonantRings)，并由此引申出一系列的诸如双环结构、回字形结构等变形式。这些结构都是引导自由电荷在沿着金属线形成电流环路进而产生磁响应，但这些磁谐振往往出现在微波波段和红外波段，出于制备的限制很难通过减小结构尺寸的方式将响应波长移至可见光范围。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中存在的技术问题，提供一种稀土荧光增强天线及其制备方法，提供了一种新型的基于表面等离子体增强的光栅超材料稀土辐射增强天线结构，通过在光栅内部介质层中形成磁场热电来提高稀土元素自发辐射发光效应。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种稀土荧光增强天线，包括玻璃基底，所述玻璃基底上固定设置有多个带介质材料的周期性光栅，所述带介质材料的周期性光栅包括固定设置在中间层的发光层，固定设置在发光层顶部和底部的金属Ag纳米层；所述发光层为掺杂有稀土Eu发光量子点的介质膜。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。进一步，所述带介质材料的周期性光栅顶部和底部设置有保护膜。优选的，所述保护膜为Al2O3膜，厚度为10nm。进一步，所述金属Ag纳米层的厚度为30nm。进一步，所述发光层选用Al2O3作为介质材料，在其中掺杂有稀土Eu发光量子点。优选的，所述发光层的厚度为30nm。进一步，所述发光层中掺杂的稀土Eu发光量子点为无机稀土Eu发光量子点和/或有机稀土Eu发光量子点。进一步，所述带介质材料的周期性光栅的宽度为80nm。进一步，所述带介质材料的周期性光栅在TE模式的入射场的波矢k垂直于玻璃基底入射，磁场方向平行于带介质材料的周期性光栅的宽度方向，电场沿着光栅的无限长方向时，光栅尺寸排列周期为240nm。本专利技术还提供了上述稀土荧光增强天线的制备方法的技术方案，包括以下步骤：a)玻璃基底的清洗：先后利用丙酮、异丙醇超声除去表面的杂质，而后用去离子水清洗后吹干；b)玻璃基底的处理：用沟槽刻蚀的方式处理清洗后的玻璃基底；c)利用光刻蚀法或剥离法在玻璃基底上制备带介质材料的周期性光栅，完成稀土荧光增强天线的制备。优选的，所述步骤a)中，在先后利用丙酮、异丙醇超声除去表面的杂质后，在1:1的浓硫酸和双氧水的混合溶液中浸泡，最后用去离子水清洗后吹干；进一步，所述光刻蚀法包括以下步骤：1)在玻璃基底上涂覆一层Al2O3膜；2)利用电子束镀膜机先对真空腔初抽和精抽至2×10-5Pa以下真空度，然后低速在Al2O3膜上完成30nm的金属Ag纳米层镀膜；3)用烧结法制备Al2O3介质层；4)采用粉末烧结方式制备无机稀土Eu发光量子点，采用加热浓缩法合成有机稀土Eu发光量子点，将无机稀土Eu发光量子点和/或有机稀土Eu发光量子点掺杂到Al2O3介质层中，并将Al2O3介质层复合到步骤2)的金属Ag纳米层上，完成发光层的制备；5)在发光层上采用与步骤2)相同的方式完成金属Ag纳米层镀膜；6)在金属Ag纳米层表面涂覆一层Al2O3膜；7)将电子束曝光用PMMA抗蚀剂在匀胶机2000r/min的转速下旋涂1min，在最表层Al2O3膜上制备出PMMA抗蚀剂膜，并将样品烘干；8)进行刻蚀图形设计，依据图形设计将样品投入显影液中显影，除去被曝光的PMMA抗蚀剂；10)利用反应离子束刻蚀机将未被PMMA抗蚀剂遮挡的部分刻蚀掉；11)最后利用去胶液除去PMMA抗蚀剂。进一步，所述剥离法包括以下步骤：1)将电子束曝光用PMMA抗蚀剂在匀胶机2000r/min的转速下旋涂在玻璃基底上，制备出PMMA抗蚀剂膜，并将样品烘干；2)进行图形设计，依据图形设计将样品投入显影液中显影，除去被曝光的PMMA抗蚀剂；3)重复刻蚀法的步骤1)～步骤6)，在图形化的PMMA抗蚀剂膜制备带介质材料的周期性光栅；4)利用剥离液溶解掉露出的PMMA抗蚀剂，使得溶解掉的PMMA抗蚀剂上方的带介质材料的周期性光栅失去依附而脱落。进一步，所述无机稀土Eu发光量子点的制备包括以下步骤：1)将3ml的H2O，1g的Y(NO3)3·6H2O，0.06g的Eu(NO3)3·6H2O和0.41g的尿素混合在30ml的烧杯中，在室温下搅拌，使得物质充分溶解并混合均匀；2)将溶液转移到烧结炉中，在N2气氛500℃下加热，直至反应炉中有棕色气体产生并逐渐消散；3)将反应产物转移到适应烧杯中，继续在在N2气氛850℃下加热24h，最后进行研磨，得到纳米晶体结构的机稀土Eu发光量子点。进一步，所述有机稀土Eu发光量子点的制备包括以下步骤：1)称取0.7gEu(NO3)3·6H2O，加入到20ml乙醇中，搅拌使得Eu(NO3)3·6H2O完全溶解；2)量取1ml的HFA，加入20ml乙醇，搅拌混合，使得HFA完全溶解；3)将步骤1)和步骤2)的两种溶液充分混合，搅拌；4)设置水浴锅的温度为50℃，将步骤3)所得混合溶液放入其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种稀土荧光增强天线，其特征在于：包括玻璃基底(3)，所述玻璃基底(3)上固定设置有多个带介质材料的周期性光栅，所述带介质材料的周期性光栅包括固定设置在中间层的发光层(1)，固定设置在发光层(1)顶部和底部的金属Ag纳米层(2)；所述发光层(1)为掺杂有稀土Eu发光量子点的介质膜。/n

【技术特征摘要】
1.一种稀土荧光增强天线，其特征在于：包括玻璃基底(3)，所述玻璃基底(3)上固定设置有多个带介质材料的周期性光栅，所述带介质材料的周期性光栅包括固定设置在中间层的发光层(1)，固定设置在发光层(1)顶部和底部的金属Ag纳米层(2)；所述发光层(1)为掺杂有稀土Eu发光量子点的介质膜。


2.根据权利要求1所述的一种稀土荧光增强天线，其特征在于：所述带介质材料的周期性光栅顶部和底部设置有保护膜(4)，所述保护膜(4)为Al2O3膜，厚度为10nm。


3.根据权利要求1所述的一种稀土荧光增强天线，其特征在于：所述金属Ag纳米层(2)的厚度为30nm。


4.根据权利要求1所述的一种稀土荧光增强天线，其特征在于：所述发光层(1)选用Al2O3作为介质材料，在其中掺杂有稀土Eu发光量子点，所述发光层(1)的厚度为30nm。


5.根据权利要求1所述的一种稀土荧光增强天线，其特征在于：所述发光层(1)中掺杂的稀土Eu发光量子点为无机稀土Eu发光量子点和/或有机稀土Eu发光量子点。


6.根据权利要求1所述的一种稀土荧光增强天线，其特征在于：所述带介质材料的周期性光栅的宽度为80nm。


7.根据权利要求1所述的一种稀土荧光增强天线，其特征在于：所述带介质材料的周期性光栅在TE模式的入射场的波矢k垂直于玻璃基底(3)入射，磁场方向平行于带介质材料的周期性光栅的宽度方向，电场沿着光栅的无限长方向时，光栅尺寸排列周期为240nm。


8.一种权利要求1～8所述的稀土荧光增强天线的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
a)玻璃基底(3)的清洗：
先后利用丙酮、异丙醇超声除去表面的杂质，而后用去离子水清洗后吹干；或者先后利用丙酮、异丙醇超声除去表面的杂质，后在1:1的浓硫酸和双氧水的混合溶液中浸泡，最后用去离子水清洗后吹干；
b)玻璃基底(3)的处理：用沟槽刻蚀的方式处理清洗后的玻璃基底(3)；
c)利用光刻蚀法或剥离法在玻璃基底(3)上制备带介质材料的周期性光栅，完成稀土荧光增强天线的制备。


9.根据权利要求9所述的一种稀土荧光增强天线的制备方法，其特征在于所述光刻蚀法包括以下步骤：
1)在玻璃基底(3)上涂覆一层Al2O3膜；
2)利用电子束镀膜机先对真空腔初抽和精抽至2×10-5Pa以下真空度，然后低速在Al2O3膜上完成30nm的金属Ag纳米层(2)镀膜；
3)用烧结法制备Al2O3介质层；
4)采用粉末烧结方式制备无机稀土Eu...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡文良，齐志强，孙昊驰，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一七研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42