一种宽带增强拉曼散射的微纳芯片的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种宽带增强拉曼散射的微纳芯片，同时具有较低的光热效应。本实用新型由蝴蝶结金属结构与环状金属结构相互耦合实现，蝴蝶结结构位于环状金属结构的中心，整个芯片设置在石英玻璃上。蝴蝶结金属结构包含长度L、开角θ和间隙距离g1三个重要的参数；环状金属结构包括内径Ri和环状金属结构的厚度Tr，蝴蝶结金属结构的边沿与环状金属内侧壁之间间隔为g2，蝴蝶结金属结构和环状金属结构的高度一样；其中，Ri＝L+g1/2+g2；改变蝴蝶结的长度L和开角θ大小能够改变第一个共振峰的位置；改变环状金属结构的厚度Tr能够改变第二个共振峰的位置。本实用新型同样解决了宽带增强结构的尺寸问题,通过单个微纳结构就可以实现。
【专利说明】
一种宽带増强拉曼散射的微纳芯片
技术领域
[0001] 本实用新型属于表面增强拉曼光谱分析领域，尤其涉及一种宽带增强拉曼散射的 微纳芯片，同时具有较低的光热效应，主要应用于检测物质的振动转动能级情况，鉴别物 质，分析物质的性质。
【背景技术】
[0002] 拉曼光谱分析是一种对不同频率的激发光散射光谱信号进行基于拉曼效应的分 析，从而得到关于分子内部振动或转动信息的重要光谱检测手段。由于分子的拉曼散射信 号弱，直接探测尤为困难。目前主要通过化学手段改变拉曼分子的散射截面，以及设计共振 结构增强局域电磁场来提高拉曼光谱的信噪比，其中局域场增强效应是表面增强拉曼散射 (SERS)的主要机制。表面等离子体共振是导体表面自由电子的集体振荡行为，可将电磁场 局域在金属表面结构附近，从而极大地增强局域近场，由于贵金属比如(金、银)支持局域表 面等离子共振模式，从而被广泛的用于SERS衬底中。
[0003] 目前用于增强拉曼散射信号的结构有蝴蝶结、环形、颗粒簇等，但这些结构的工作 带宽有限，带宽通常在l〇〇nm左右，仅对于短波数拉曼信号有效，对于长波数拉曼或者hyper 拉曼增强适用效果会大幅减弱。另外，还有双波长等离子共振结构，虽然可以将拉曼增强扩 展到2000CHT1，解决了长波束拉曼增强的问题，但这种结构只能针对某些特定的分子，对于 增强不同的拉曼信号，都需要重新设计结构，实际应用起来繁琐且费用昂贵。与此同时，也 有一些研究使其结构工作在宽带范围内，包括将多个工作在不同频带的窄带结构制备在一 起以及基于分形几何学设计的等离子体结构，然而它们都存在着尺寸较大不利于集成以及 局域场增强空间位置不在同一区域的缺陷，都不能很好地适用于宽带增强拉曼散射中。此 外，上述设计的结构都是工作在等离子体共振模式下，忽略了表面增强拉曼散射中的光热 效应。这种光热效应是由金属固有的吸收损耗导致的，共振吸收的光能量会转化成热能， 使得金属结构的温度上升，一方面会改变金属和周围环境介质的性质，另一方面会破坏分 析的拉曼分子结构。因此上述的器件结构都不适合工作在高功率激发下。
[0004] 为了解决上述问题，我们设计了一种宽带增强的等离子体微纳结构来实现宽带范 围内的拉曼信号增强。不同于以往复杂的多共振结构，该结构仅基于两个共振的耦合效应 就能实现宽带范围内的电磁场增强，带宽达到700nm以上，同时具有较低的光热效应。总体 结构简单，与已有的制备工艺兼容，且可以调节结构尺寸工作在可见光或红外波段内。
【发明内容】
[0005] 本实用新型创造旨在解决拉曼光谱检测中的带宽问题，提出了一种宽带增强拉曼 散射的微纳芯片，同时具有较低的光热效应。该芯片能在宽带范围内同时实现激发光频率 和拉曼散射频率处的增强，对于不同的拉曼分子，不需要重复设计，适用于短波数、长波数 以及hyper拉曼分析。此外，本实用新型同样解决了宽带增强结构的尺寸问题，通过单个微 纳结构就可以实现。
[0006] 本实用新型芯片由蝴蝶结金属结构与环状金属结构相互耦合实现，蝴蝶结金属结 构位于环状金属结构的中心，整个芯片设置在石英玻璃上。且可以通过改变蝴蝶结金属结 构与环状金属结构之间的间隙L，改变两者的耦合强度。
[0007] 蝴蝶结金属结构包含长度L、开角0和间隙距离gl三个重要的参数;环状金属结构 包括内径心和环状金属结构的厚度Tr，蝴蝶结金属结构的边沿与环状金属内侧壁之间间隔 为g2,蝴蝶结金属结构和环状金属结构的高度一样;其中，Ri = L+gi/2+g2。
[0008] 所述的蝴蝶结金属结构与环状金属结构的材料的介电常数为负，能够选择金、银、 铜、铝。考虑到激发光在可见和近红外波段，以及材料的稳定性，优选金作为结构材料。
[0009] 本实用新型有益效果如下：
[0010] (1)本实用新型通过设计一个简单的等离子体共振结构解决了表面增强拉曼光谱 领域内的一大难题，实现了大宽带波数范围内的拉曼散射信号的增强，相比于其他宽带结 构设计，可大大减少工艺复杂程度，可通过电子束曝光、聚焦离子束刻蚀或纳米压印制备加 工，相比于窄带增强结构，适用于不同分子的检测要求，不需要重复设计。
[0011] (2)能在同一空间位置，在宽带范围内同时实现激发光信号和拉曼散射的信号增 强，大大减小了结构尺寸，便于集成。
[0012] (3)本实用新型的结构设计十分灵活，可以通过改变结构尺寸，调节共振锋的位 置，使其工作在可见光或者红外波段
[0013] (4)本实用新型实现了单个结构在宽带范围，同一空间位置上的拉曼增强，可以制 备在探针上进行扫描测量。也可以设计成周期性阵列结构实现表面增强拉曼散射衬底。
[0014] (5)本实用新型考虑了以往表面增强拉曼散射中容易忽略的一方面:光热效应，在 非共振模式下，保持较高的电磁场增强同时具有较低的热效应。
【附图说明】
[0015] 图1为一种基于等离子体光学纳米天线的宽带增强拉曼散射元件的俯视图。
[0016] 图2为数值仿真得到的宽带天线结构的电场增强谱。
[0017] 图3为数值仿真得到的宽带天线结构的热生成。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
[0019] 如图1所示为本实用新型芯片的俯视图，图中黑色图案代表结构材料，这里我们使 用的是金，蝴蝶结金属结构位于纳米环的中心。整个结构单元设计在石英玻璃上，这与实际 芯片工作的条件一致。相比于其他结构复杂的宽带结构，本实用新型芯片结构非常简单，由 蝴蝶结金属结构与环状金属结构相互耦合实现，且可以通过改变环形结构与蝴蝶结结构之 间的间隙g 2,改变两者的耦合强度。这两种结构之前都被很好地研究以及制备过，工艺已 经很成熟，然而两者相互耦合形成的宽带效应目前还没有系统地研究过。
[0020] 以下给出本实用新型设计的一个具体实施例子。具体研究单个结构实现的宽带局 域电场增强效应，设计的结构放置于石英玻璃上，可工作在反射和透射模式中，设置石英玻 璃的折射率为1.45。且考虑到实验工艺的精度，我们假设制备的蝴蝶结结构曲率半径Rd为 6nm，蝴蝶结金属结构包含长度L、开角0和间隙距离 gl三个重要的参数;环状金属结构包括 内径心和环状金属结构的厚度Tr，蝴蝶结金属结构的边沿与环状金属内侧壁之间间隔为g2， 蝴蝶结金属结构和环状金属结构的高度一样;其中，Ri = L+gi/2+g2。
[0021 ]具体的一个实例参数如下：
[0022]本设计的一个案例是针对的是用785nm激光激发，探测0~SOOOcnf1范围内的拉曼 散射信号。蝴蝶结金属结构和环状金属结构的高度一样，均为40nm。
[0023] L = 72nm，9 = 60。，gi = 10nm，Ri = 85nm，Tr = 60nm，g2 = 8nm
[0024] 改变蝴蝶结的长度L和开角0大小能够改变第一个共振峰的位置，使之与激发光波 长匹配。改变环状金属结构的厚度Tr能够改变第二个共振峰的位置。蝴蝶结金属结构和环 状金属结构的间隙距离分重要，两者距离较小时，耦合较强，宽带效应明显，距离逐渐 增大时，耦合效应减弱，宽带增强逐渐变为双波长共振，最后只有单个共振。图2为数值仿真 得到的宽带天线结构的电场增强谱。该谱测量的是蝴蝶结中心点处以及蝴蝶结上表面距离 尖端lnm处的电场强度增强因子G。拉曼增强近似值R可以用以下表达式得到：
[0025] 其中代表拉曼激发波长的电场强度增强，Gm代表拉曼散射波 长的电场强度增强。根据这个表达式得到蝴蝶结间隙中心点的拉曼增强在700nm带块内达 到为1〇6以上，距离尖端lnm处的拉曼增强达到107~108。虽然比起有些结构在强度上有些削 弱，然而我们的带宽可以达到很大，更具有实用价值。
[0026]图3为数值仿真得到的宽带天线结构的热生成谱，在700~1200nm范围内具有较低 的热生成，同时观察图2中，在该范围内保持了较高的电磁场增强。相比于其他共振结构，具 有明显的优势。
【主权项】
1. 一种宽带增强拉曼散射的微纳芯片，其特征在于由蝴蝶结金属结构与环状金属结构 相互耦合实现，蝴蝶结金属结构位于环状金属结构的中心，整个芯片设置在石英玻璃上。2. 如权利要求1所述的宽带增强拉曼散射的微纳芯片，其特征在于蝴蝶结金属结构包 含长度L、开角Θ和间隙距离gl三个重要的参数;环状金属结构包括内径心和环状金属结构的 厚度IV，蝴蝶结金属结构的边沿与环状金属内侧壁之间间隔为g 2,蝴蝶结金属结构和环状金 属结构的高度一样;其中，Ri = L+gl/2+g2;改变蝴蝶结的长度L和开角Θ大小能够改变第一个 共振峰的位置;改变环状金属结构的厚度T r能够改变第二个共振峰的位置。3. 如权利要求1所述的宽带增强拉曼散射的微纳芯片，其特征在于所述的蝴蝶结金属 结构与环状金属结构的材料的介电常数为负，包括金、银、铜、铝。4. 如权利要求3所述的宽带增强拉曼散射的微纳芯片，其特征在于所述的蝴蝶结金属 结构与环状金属结构的材料为金。5. 如权利要求1所述的宽带增强拉曼散射的微纳芯片，其特征在于所述的蝴蝶结金属 结构与环状金属结构之间的间隙范围为O~20nm。6. 如权利要求5所述的宽带增强拉曼散射的微纳芯片，其特征在于所述的蝴蝶结金属 结构与环状金属结构之间的间隙为8nm。7. 如权利要求2所述的宽带增强拉曼散射的微纳芯片，其特征在于所述的蝴蝶结金属 结构与环状金属结构之间的间隙g2的改变会影响两者的耦合强度的变化。
【文档编号】G01N21/65GK205562392SQ201520849037
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2015年10月29日
【发明人】何赛灵, 雍征东, 陈飞鸿
【申请人】亘冠智能技术（杭州）有限公司