在本发明专利技术的一个方面，公开了一种电场增强结构(100)。电场增强结构(100)包括衬底(104)以及有序布置的介电颗粒，该介电颗粒具有彼此间隔受控距离(S)的至少两个相邻的介电颗粒(102，103)。受控距离(S)被选择为使得当在所述至少两个相邻的介电颗粒(102，103)的每一个中响应于激发电磁辐射而激发共振模式时，所述共振模式的每一个都彼此交互而导致所述至少相邻介电颗粒(102，103)之间的增强的电场。本发明专利技术的其他方面是利用所述电场增强结构的电场增强装置(1000)，以及用于增强相邻介电颗粒之间的电场的方法。
【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总体上与电场增强结构有关。更具体而言，本专利技术的实施例涉及电场增强结构，其包括用于增强相邻介电颗粒(dielectric particle)之间的入射电场的有序布置的介电颗粒。
技术介绍
金属颗粒周围的电场的增强是当今科学技术界感兴趣的课题。例如，表面增强拉曼光谱(“SERS”)是一种公知的光谱技术，其利用专门准备的粗糙的金属表面或者金属颗 粒附近的增强的电场来增加来自分析物的拉曼信号。在SERS中，分析物被吸附在活化的金属表面或者结构上或者被放置得与活化的金属表面或者结构相邻。利用所选择频率的光来照射分析物和金属表面或者金属颗粒在该金属表面或者金属颗粒中激发表面等离子体(surface plasmon)。表面等离子体频率相对独立于表面或者颗粒几何形状，并且主要是该金属的成分的函数。在SERS期间，分析物经历表面等离子体的局域的强电场，并且该分析物所特有的拉曼光子从该分析物散射。增强的电场被认为是与当在没有金属表面或者金属颗粒的情况下实施拉曼光谱时相比相对地提高的拉曼信号的一个重要因素。例如，来自金属表面的增强的电场能够将拉曼散射强度增强到IO3至IO6倍。最近，与使用简单的粗糙的金属表面相反，已经使用随机定向的金属纳米颗粒(比如纳米级的针、岛和线)来执行拉曼光谱以增强电场。源自吸附在这样的金属表面上的分子的拉曼散射光子的强度可以增强到高达IO16倍。在这种等级的灵敏度下，拉曼光谱已经被用于检测单个分子，并且通常被称为纳米增强拉曼光谱(“NERS”,nano-enhancedRamanspectroscopy)。从上面关于SERS和NERS的论述中可以意识到，金属颗粒附近的电场的增强可以具有重要用途。除了 SERS和NERS，对电场的增强还可以用在其它应用(比如传感器、拉曼成像系统、纳米天线以及其它许多应用)中。无论哪种特定应用，使用金属颗粒或者金属表面的电场增强都具有若干限制。在其光可以被耦合到局域(localized)等离子体或者表面等离子体的频率相对独立于该表面或者颗粒几何形状并且主要是该金属的成分的函数。因此，改变该金属表面或者金属颗粒的尺寸或者几何形状对在其光可以被耦合到表面等离子体的频率仅具有微小的影响。因此，在其光可以被耦合到表面等离子体的频率基本上由金属表面或者颗粒的成分确定，这限制了它们在许多应用中的有用性。除了缺乏可缩放性(scalability),已知许多类型的金属纳米颗粒是有毒的。金属纳米颗粒毒性使得难以安全地生产电场增强结构，并且会限制包括金属纳米颗粒的电场增强结构在某些生物医学应用中的应用。此外，具有金属颗粒的电场增强结构的制造通常依赖于金属纳米颗粒的自组装分布(self-assembled distribution)。因此,可能难以精确地间隔或者对准金属纳米颗粒。因此，电场增强结构的研究人员和开发人员能够意识到需要一种可缩放的并且毒性较低的电场增强结构以供在各种应用(比如传感器、拉曼光谱系统以及其它许多应用)中使用。
技术实现思路
本专利技术的各个方面所针对的是用于增强相邻介电颗粒之间的入射电场的电场增强结构、电场增强装置、以及用于增强相邻介电颗粒之间的电场的方法。在本专利技术的一个方面，公开了一种电场增强结构。该电场增强结构包括衬底以及有序布置的介电颗粒，其中该介电颗粒具有至少两个相邻的介电颗粒，所述至少两个相邻的介电颗粒彼此间隔受控的距离。该受控的距离被选择为使得当在所述至少两个相邻的介电颗粒的每一个中响应于激发电磁辐射而激发共振模式时，所述共振模式的每一个彼此交互从而导致所述至少两个相邻 的介电颗粒之间的增强的电场。在本专利技术的另一方面，公开了一种电场增强装置。该电场增强装置包括激发光源，该激发光源可被操作用于输出激发电磁辐射。该电场增强装置进一步包括电场增强结构。该电场增强结构包括有序布置的介电颗粒，该介电颗粒具有至少两个相邻的介电颗粒，该至少两个相邻的介电颗粒彼此间隔受控的距离。该受控的距离被选择为使得当在所述至少两个相邻的介电颗粒的每一个中响应于激发电磁辐射而激发共振模式时，所述共振模式的每一个彼此交互从而导致所述至少两个相邻的介电颗粒之间的增强的电场。在本专利技术的又一方面，公开了一种用于增强至少两个相邻的介电颗粒之间的电场的方法。该方法包括用激发电磁辐射来照射所述至少两个相邻的介电颗粒，其中该激发电磁辐射具有如下频率该频率被选择为激发在所述至少两个相邻的介电颗粒的每一个中的共振模式。该方法进一步包括将所述至少两个介电颗粒彼此足够接近地定位，使得所述共振模式的每一个彼此交互从而导致所述至少两个相邻的介电颗粒之间的增强的电场。附图说明附解说明了本专利技术的不同实施例，其中在所述附图中所示的不同示图或者实施例中，相同的附图标记指的是相同元素或者特征。图I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顶视平面图。图2是图I中所示的电场增强结构的示意性立体图。图3是示出了若干共振模式的曲线图，其中所述共振模式可以在图I和图2所示的每个介电颗粒中被激发。图4是图解说明了回音壁模式(whispering gallery mode)的示意图,其中所述回音壁模式被约束在图I和图2中所示的每个介电颗粒之内，并且在所述每个介电颗粒内传播。图5是示出作为图I和图2中所示相邻介电颗粒之间的间距的函数的电场增强的曲线图。图6和图7是图解说明了根据本专利技术各种实施例的用于在图I和图2中所示的电场增强结构的介电颗粒中激发共振模式的不同技术的示意性立体图。图8是根据本专利技术的另一实施例的电场增强结构的示意性顶视平面图。图9是根据本专利技术又一实施例的电场增强结构的示意性顶视平面图，其中该电场增强结构包括介电颗粒的二维有序阵列。图10是拉曼光谱系统的功能框图，其中该拉曼光谱系统可以使用根据本专利技术一个实施例的所公开的电场增强结构中的任何结构。图11至15分别示出了针对根据本专利技术的实例I至5的电场增强结构所计算的电场强度的灰度强度等值线图。具体实施例方式本专利技术的不同实施例针对电场增强结构、电场增强装置、以及用于增强相邻介电颗粒之间的电场的方法。图I和图2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包括固定到衬底104的至少两个相邻介电颗粒102和103。介电颗粒102和103的每个都可以是圆盘形状并具有半径R、厚度T以及对应的外围表面105和106。例如，介电颗粒102和103中的每一个的半径R和厚度T可以分别是约50nm至约3000nm和约50nm至约300nm。介电颗粒102和103沿着X轴分布，并且彼此间隔受控间距S以限定·所述介电颗粒之间的中间增强区域107。中间增强区域107是相邻介电颗粒102与103的最接近的部分之间的间隙。间距S可以处于例如大于零至约50nm的范围内。介电颗粒102和103可以由非金属材料制成，所述非金属材料具有与周围介质的折射率相比较高的折射率叫。因此，折射率Ii1大于衬底104和周围空气的折射率n2。例如，介电颗粒102和103可以由娃(在425nm下n = 5. 009)、锗(在605nm下n = 5. 9)、砷化镓(在430nm下n = 5. 107)、另一种半导体材料(二氧化钛(在318nm下n = 5. 38)),或者另一种可使用本文档来自技高网...
【技术保护点】
【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：M·西加拉斯，R·S·威廉斯，D·法塔尔，S·王，R·博索莱尔，
申请(专利权)人：惠普开发有限公司，
类型：发明
国别省市：
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