本发明专利技术的各个方面涉及电场增强结构（１００）和使用这样的电场增强结构的检测装置（６００、７００、８００）。在本发明专利技术的一个方面中，电场增强结构（１００）包括具有表面（１０４）的衬底（１０２）。所述衬底（１０２）能够支持具有平面模式频率的平面模式（１１４）。多个纳米特征（１０６）与所述表面（１０４）相关联，并且每一个纳米特征（１０６）都呈现出具有近似等于平面模式频率的局部表面等离体子频率的局部表面等离体子模式（１１６）。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的实施例通常涉及在许多不同的应用(例如检测装置)中使 用的电场增强结构。
技术介绍
金属颗粒(particle)周围的电场增强是当前科学技术兴趣所关注 的话题。例如表面增强拉曼光谱术("SERS")是一种利用特别制备的 粗糙的金属表面或金属颗粒附近的增强电场来增加来自分析物的非弹 性散射的拉曼辐射的量的公知的光谱学技术。在SERS中，分析物被吸 到活化的金属表面或结构上，或者邻近活化的金属表面或结构放置。用 所选频率的电磁辐射("EMR")对分析物和金属表面或颗粒进行照射 激发了金属表面或颗粒中的表面等离体子激元(surface plasmon polariton,"SPP，，)。在SERS期间，分析物经历SPP的强的局部电场，并且从分析物非 弹性地散射分析物特有的拉曼光子。与在没有金属表面或颗粒的情况下 实行拉曼光谱法时相比，认为增强的电场是相对增加的拉曼辐射的 一 个 重要因素。例如，来自金属表面的增强的电场可以使拉曼散射强度增强 1 03-1 06倍。最近，为了增强电场，与简单的粗糙金属表面相反，使用随机取向 的金属纳米颗粒(例如纳米级的针状物、岛状物(island)以及线)来 执行拉曼光谱法。来自被吸到这样的金属表面上的分子的拉曼散射光子 的强度可以增加大于106倍。在该等级的灵敏度下，拉曼光谱法可以被 用来检测微小量的物质并且被称为纳米增强的拉曼光镨法("NERS")。/人上面关于SERS和NERS的讨-i仑可以认识到，金属颗粒周围的电场 增强可能非常有用。除了 SERS和NERS之外，电场的增强可以在其它应 用中使用，例如红外光谱法、传感器、拉曼成像系统、纳米天线和许多 其它应用。因此，电场增强结构的研究人员和开发人员可以意识到对于 可以在各种各样的应用(例如传感器、拉曼光语系统和许多其它应用) 中使用的改进的电场增强结构的需要。
技术实现思路
本专利技术的各方面针对电场增强结构和使用这样的电场增强结构的 检测装置。在本专利技术的 一个方面中，电场增强结构包括具有表面的衬底。该衬底能够支持具有平面模式频率的平面模式(planar mode)。多个 纳米特征(nanofeature )与该表面相关^关，并且每一个纳米特征都呈现出具有近似等于平面模式频率的局部表面等离体子频率的局部表面 等离体子(local ized—surface—plasmon )才莫式。当由;敎发电》兹福射;效发时，纳米特征的局部表面等离体子模式和平面模式相长地互相干涉以 产生增强的电场。附图说明附图示出了本专利技术的各种实施例，其中相同的参考标记指代在附图 中示出的不同视图或实施例中的相同元件或特征。图1A是根据本专利技术的一个实施例的电场增强结构的示意性等距视图1B是在图1A中示出的电场增强结构的示意性平面视图； 图1C是沿线1C-1C截取的图1B所示电场增强结构的示意性横截面 视图2是根据本专利技术的另 一个实施例的电场增强结构的示意性平面视图3A是根据本专利技术的又一个实施例的利用納米孔的周期布置的电 场增强结构的示意性平面视图3B是沿线3B-3B截取的图3A所示电场增强结构的示意性横截面视图4是根据本专利技术的另 一 个实施例的电场增强结构的示意性等距视 图，在该电场增强结构中衬底包括介电材料；图5是根据本专利技术的又 一 个实施例的电场增强结构的示意性等距视 图，在该电场增强结构中衬底被配置成支持介电表面模式；图6是根据本专利技术的一个实施例的可以使用所公开的电场增强结构 的任 一 个的检测装置的功能框图7是根据本专利技术的一个实施例的包括利用多个衍射光栅的电场增5强结构的检测装置的示意性等距视图8是根据本专利技术的一个实施例的包括多个被配置为所公开的检测 装置的任一个的检测装置子单元的检测装置的功能框图。具体实施例方式本专利技术的各种实施例涉及电场增强结构以及利用这样的电场增强 结构的检测装置。所公开的电场增强结构的实施例包括多个与衬底的表 面相关联的纳米特征。响应于所选频率处的EMR,可以激发每一个纳米 特征的局部表面等离体子("LSP")模式和该衬底的平面模式，以生 成邻近该表面的增强的电场。增强的电场可以用于例如SERS、红外光镨 法和许多其它应用。图1A- 1C示出了根据本专利技术的一个实施例的电场增强结构100。电 场增强结构100包括具有表面104的衬底102。可以在该表面104上形 成多个纳米特征，例如纳米颗粒106。每一个纳米颗粒106的代表性尺 寸可以是大约2nm到大约200腦。另外，纳米颗粒1 06的几何形状可以 背离所示出的几何形状。例如，每一个纳米颗粒106可以是大致球形、 半球形的、圆柱形的或另一适合的几何形状。如此处所使用的那样，术 语"纳米特征"指纳米颗粒或纳米孔。纳米颗粒106以周期布置的方式 分布在表面104上，以形成衍射光4册108。例如，纳米颗粒106一皮示为 以具有晶格(lattice)参数d的方形晶格布置的方式布置。然而，所 述多个纳米颗粒106可以呈现出其它的周期布置而不受限制。距离d的 代表性范围可以是大约5 0簡到几微米。每一个纳米颗粒106都由等离体子活性(plasmon-active )材泮+形 成，所述等离体子活性材料例如金属、合金或能够在其中激发表面等离 体子的简并掺杂的半导体材料。例如，每一个纳米颗粒106都可以由铜、 金、把、银、前述任何金属的合金、或另一种适当的等离体子活性材料 形成。响应于特定频率处的激发EMR,可以在每一个纳米颗粒106中激 发LSP。表面等离体子是固体表面附近的自由电子云的振荡。LSP通常 还被称为电磁表面形状谐振、颗粒等离体子以及缝隙等离体子(gap plasmon)。可以在多个纳米特征(例如纳米颗粒或纳米孔)中激发LSP 的频率或多个频率是表面等离体子被限制到的纳米特征的尺寸和形状、 纳米特征的介电常数以及纳米特征的间距的函数。多个纳米特征(例如可以在每一 个納米颗粒106中激发LSP模式的频率或多个频率。衬底102和其表面104由诸如金属、合金或能够在其中激发SPP的 简并掺杂的半导体材料之类的材料形成。例如，衬底102可以由铜、金、 钯、银、前述任何金属的合金、或另一种适当的材料形成。然而，在本 专利技术的其它实施例中，衬底102可以包括例如由玻璃衬底形成的基底， 以及由沉积在该基底上的任何一种前述等离体子活性材料形成的薄膜。SPP是一种电磁激发，其中的电磁场沿着具有负介电常数的材料(例 如金属)和具有实的正介电常数的媒质之间的界面传播。作为将光子耦 合到具有负介电常数的材料的表面等离体子的结果生成了 SPP。因此， 表面104在至少一EMR频率范围上呈现出实的负介电常数，并且邻近表 面104的媒质(例如空气)在表面104呈现出实的正介电常数的EMR频 率范围中的至少一部分上呈现出实的正介电常数。表面104能够支持沿 着该表面104传播的SPP模式。因为SPP模式限于表面104以及与其直 接邻近的区域，所以相对于用于激发SPP才莫式的EMR, SPP才莫式的电场 强度被增强。可以主要通过选择邻近媒质和表面104的介电常数来控制 SPP才莫式的频率。例如，SPP才莫式可以传播大约1,到大约20(Vm的长 度。因为自由空间光和SPP模式的色散关系，不能使用自本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种电场增强结构（１００），包括： 衬底（１０２），其包括表面（１０４），所述衬底能够支持具有平面模式频率的平面模式（１１４）；以及 与所述衬底的所述表面相关联的多个纳米特征（１０６），每一个所述纳米特征都呈现出局部表面等离体子（“ＬＳ Ｐ”）模式（１１６），所述局部表面等离体子模式（１１６）具有近似等于所述平面模式频率的ＬＳＰ频率，其中当被激发时每一个所述纳米特征的ＬＳＰ模式和所述平面模式相长地互相干涉。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：D法塔尔，Z李，W童，D斯图尔特，J布拉克斯托克，
申请(专利权)人：惠普开发有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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