专利名称：包括介电颗粒的电场增强结构、包括该电场增强结构的装置以及使用方法
技术领域：
本发明的实施例总体上与电场增强结构有关。更具体而言，本发明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。
背景技术：
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。
发明内容
本发明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。在本发明的一个方面，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。在本发明的另一方面，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。在本发明的又一方面，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。
附解说明了本发明的不同实施例，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是根据本发明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发明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是根据本发明的另一实施例的电场增强结构的示意性顶视平面图。
图9是根据本发明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发明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发明的实例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。
具体实施例方式本发明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示出了根据本发明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)),或者另一种可使用微制造技术或者纳米制造技术加工的相对高折射率的合适材料制成。衬底104可以例如是由二氧化硅或者另一种折射率相对低的合适材料制成的玻璃衬底。使用多种不同的公知微制造技术和纳米制造技术，通过例如使用物理或者化学沉积工艺将介电层沉积在衬底104上并之后以光刻法从所沉积的介电层中限定介电颗粒102和103，可以在衬底104上形成介电颗粒102和103。如在图2中最佳示出的那样，介电颗粒102和103被低折射率的衬底104和周围的空气包围。因此，可以通过适当地选择来自光源(未示出)的激发电磁辐射(“EMR”)特性(比如电场极化方向和频率)来在介电颗粒102和103中激发共振模式。图3是图解说明若干不同的共振模式曲线图300，可以通过使用具有适当选择的频率的激发EMR照射介电颗粒102和103而在介电颗粒102和103的每个中激发所述共振模式W1-W1215例如，用具有处于或者接近O1的频率的激发EMR来照射介电颗粒102将入射EMR耦合到介电颗粒102的最低阶(lowest-order)的共振模式。所述共振频率可以与X、Y或者Z电场分量之一相关联。例如，图3中所示的共振频率O1-CO12可以是在其处EMR的电场的X分量在每个介电颗粒102和103中激发共振模式的频率。因此，具有例如频率％的X电场分量的入射EMR可以在介电颗粒102和103的每个中激发最低阶的共振模式。该电场的其它分量可以根据介电颗粒102和103的对称性而在相同频率或者不同频率处激发共振模式。对于具有上述代表性的尺寸和折射率的介电颗粒而言，共振频率通常处于兆兆赫兹(terrahertz)范围。应当注意，曲线图300仅仅用于说明目的，并且该曲线图的形状和共振的频率高度取决于介电颗粒102和103的几何形状和折射率。另外，改变介电颗粒的尺寸、形状、和/或折射率可以明显地改变共振模式的频谱。每个介电颗粒102和103的频谱都是可缩放的，并且例如将颗粒尺寸减少到1/10会将共振模式的频率相应增大到10倍。因此，可以通过改变介电颗粒102和103的尺寸来以可控的方式改变共振频率。另外，改变介电颗粒102和103与衬底104和周围介质之间的折射率的差同样改变该频谱。介电颗粒102和103与周围介质(即衬底104和空气)的折射率之间的差越大，可以使得介电颗粒102和103的尺寸更小，而同时仍然支持共振模式。可以在介电颗粒102和103的每个中激发的这类共振模式也被称为回音壁模式。对于具有给定折射率和几何形状的介电颗粒，回音壁模式发生在特定共振频率处。图4示意性地图解说明了回音壁模式在介电颗粒102和103中的每个之内的传播。如图4所示，在其中一个共振频率处，EMR在该特定频率激发介电颗粒102的模式，并且在介电颗粒102的表面105经历全内反射，该全内反射被示意性地示出为光线402，该光线402以方向C1环形地传播。EMR还激发介电颗粒103的模式，并且在介电颗粒103的表面106处经历全内 反射，该全内反射被示意性地示出为光线403，该光线403以方向C2环形地传播。EMR被截留(trap)在介电颗粒102和103内，截留的时间尺度(timescale)取决于颗粒的尺寸和模式的Q因数。品质因数(“Q因数”)定量地描述入射EMR在相应介电颗粒102和103之内的约束程度，品质因数可大约为约106至约101(1。Q因数是被约束的EMR在介电颗粒102和103之内环形传播的次数的指示。被约束的EMR集中在对应介电颗粒102和103的表面105和106附近，并且EMR的电场强度随着从外围表面105和106径向向外到中间增强区域107的距离而以逐渐消逝的方式衰减。通过控制相邻介电颗粒102和103之间的间距S并适当地激发介电颗粒102和103的共振模式之一，在每个介电颗粒102和103中激发的单独的共振模式都进行交互以便在介电颗粒102与103之间的中间增强区域107中局部地增强激发EMR的电场。尽管还没有完全理解确切的物理现象，但是本发明者当前相信与介电颗粒102和103中的每个的共振模式相关联的各个逐渐消逝的电场彼此耦合以便在中间增强区域107内局部地增强激发EMR的电场。对介电颗粒102与103之间的电场的增强可以是激发EMR的电场的约10倍至约300倍之间。对激发EMR的电场在介电颗粒102与103之间的中间增强区域107中的增强程度取决于间距S。电场增强被定义为在中间增强区域107内或者紧接中间增强区域107所产生的最大电场的强度与激发EMR的电场强度之比。如图5所示，在间距为Smax时，对激发EMR的电场增强为最大值。当相邻介电颗粒102与103之间的间距S小于Smax时，增强效果下降。当相邻介电颗粒102与103之间的间距S大于Smax时，增强效果同样下降。因此，在本发明的一个实施例中，间距S被选择为Smax或者接近Smax以便使激发EMR的电场增强最大化。增强的电场对于在中间增强区域107之内的沿着大致平行于Y轴的轴的任何位置基本上是恒定的。尽管只要激发EMR被耦合到每个介电颗粒102和103的共振模式之一，则激发EMR的电场就可以在中间增强区域107内被增强，但是激发EMR的电场在中间增强区域107中的增强程度取决于激发EMR的电场的极化方向，并且取决于介电颗粒102和103的对称性、激发EMR的波矢。图6和图7图解说明了用于在介电颗粒102和103中激发共振模式的本发明的不同实施例。如图6所不,在本发明的一个实施例中，具有电场602的激发EMR 600可以照射介电颗粒102和103以便在介电颗粒102和103的每个中激发共振模式之一，其中电场602具有极化方向604和处于共振频率之一的频率。如所图解说明的那样，电场602的极化方向604大致(generally)平行于X轴，沿着该X轴分布有介电颗粒102和103，并且波矢k大致平行于Z轴。在图7所示的本发明的另一实施例中，具有电场702的激发EMR700可以照射介电颗粒102和103以便在介电颗粒102和103的每个中激发共振模式之一，其中电场702具有极化方向704和处于共振频率之一的频率。如图7所示，电场702的极化方向704大致平行于X轴，并且波矢k大致平行于Y轴。当激发EMR的电场在大致平行于X轴的方向上被平面极化时，对于圆盘形状的介电颗粒102和103而言，当入射EMR的波矢k大致平行于Z轴时，对于给定的间距S(图5)发生更大的电场增强。这是由于介电颗粒102与103的形状沿着Y轴和Z轴的差异。当每 个介电颗粒102和103都被成形为呈现关于X轴的球对称性或者圆柱对称性时，电场增强对于具有沿着大致平行于Y轴或者Z轴的方向入射的波矢k的入射EMR而言是相同的。另外，对于具有相同波矢k方向的入射电磁辐射而言，当激发EMR的电场的极化方向大致平行于X轴时，在中间增强区域107中的电场增强更大，其中沿着该X轴分布有介电颗粒102和103。 在本发明的某些实施例中，可以通过控制介电颗粒几何形状来进一步增强入射电磁辐射的电场增强。图8示出了根据本发明的一个实施例的电场增强结构800。电场增强结构800包括介电颗粒802，介电颗粒802具有第一部分804和从第一部分804突出的第二部分806，其中第一部分804具有半径R1，第二部分806具有小于半径R1的半径R2。电场增强结构800进一步包括介电颗粒808，介电颗粒808具有第一部分810和从第一部分810突出的第二部分812，其中第一部分810具有半径R1，第二部分812具有小于半径R1的半径R2。R1可以例如为R2的大小的约100至200倍。例如，介电颗粒802和808的每个的半径R1和半径R2可以分别是约500nm至约3000nm和约50nm至约30nm。介电颗粒802和808被定向为使得第二部分806和第二部分812彼此相对，并且介电颗粒802和808沿着X轴分布，并且彼此间隔受控的间距S以便限定所述介电颗粒之间的中间增强区域814。介电颗粒802和808被固定于衬底816。介电颗粒802和808以及衬底816可以由在前面关于图I和图2所示的电场增强结构100所述的相同材料和方法制成。如能够从与半径R1相比相对较小的半径R2意识到的，在介电颗粒802和808的每个中激发的共振模式的强度在相对较小的第二部分806和812中更大。因此，当图I中所示的介电颗粒102和103的每个的半径R等于图8中所示的介电颗粒802和808的半径R1时，并且对于相同的间距S，可以使用前面所述的激发技术中的任何技术在电场增强结构800的中间增强区域814中产生相对更大程度增强的电场。在电场增强结构100和800中所示的介电颗粒的结构仅仅表示本发明的一些不同的实施例。在本发明的其它实施例中，介电颗粒的形状可以是三角形、矩形或者球形。例如，可以将大致球形的介电颗粒分布在衬底上以便形成具有所述介电颗粒之间的一般受控的间距的有序阵列，而不是使用微制造或者纳米制造工艺(比如常规的沉积和蚀刻工艺)来形成介电颗粒。附加地，如果可以在相邻介电颗粒的每个中激发共振模式，则所述相邻介电颗粒(例如介电颗粒102和103或者介电颗粒802和808)的形状和尺寸可以是不同的。例如，相同频率激发EMR可以在介电颗粒之一中激发较低阶的共振模式，并且在另一介电颗粒中激发较高阶的共振模式。尽管电场增强结构100和800被示出为具有两个相邻的介电颗粒，但是本发明的附加实施例针对介电颗粒的有序二维阵列，在所述阵列中，介电颗粒可以如同前面所述的实施例中的任何实施例中那样被定尺寸、被间隔开和被结构化。图9示出了根据本发明的另一实施例的电场增强结构900。电场增强结构900包括低折射率的衬底902，衬底902具有包含介电颗粒的二维有序阵列904。例如，介电颗粒906与介电颗粒907间隔受控的间距S1，并且介电颗粒906与介电颗粒908间隔受控的间距S2。间距S1和S2可以彼此相等，或者间距S1和S2可以不同。在本发明的一些实施例中，二维有序阵列904的每个介电颗粒 可以配置有两个或者两个以上突出部分，其中类似于图8中所示的电场增强结构800，所述突出部分与相邻介电颗粒的对应突出部分相对。如前面所述，激发电磁辐射可以照射阵列904，并且可以在相邻介电颗粒之间的中间增强区域910和912之内或者紧接中间增强区域910和912增强电场。例如激发电磁辐射的电场极化方向可以大致平行于方向909或者方向913，并且激发电磁辐射的波矢可以大致垂直于电场极化方向。关于图I至图9示出和描述的电场增强结构的前述实施例的任何之一都可以用在若干不同的电场增强装置中。例如，图10示出了根据本发明一个实施例的拉曼光谱系统1000的功能框图。拉曼光谱系统1000包括电场增强结构1002，电场增强结构1002具有衬底1003，衬底1003支撑若干规则地间隔开的介电颗粒1004，介电颗粒1004被结构化以便增强入射电场，如前面所述。例如，图10中所示的电场增强结构1002被配置为图9中所示的电场增强结构900。拉曼光谱系统1000进一步包括激发EMR源1006和检测器1008。拉曼光谱系统1000也可以包括定位在激发EMR源1006与电场增强结构1002之间的各种光学部件1010，以及定位在电场增强结构1002与检测器1008之间的各种光学部件1012。激发EMR源1006可以包括任何用于以所希望的波长发射EMR的适当源，并且能够发出可调波长的辐射。例如，商业可得到的半导体激光器、氦氖激光器、二氧化碳激光器、发光二极管、白炽灯以及许多其它公知的辐射发射源可以用作激发EMR源1006。由激发EMR源1006发射的EMR可以是用于使用拉曼光谱来对分析物进行分析并且激发电场增强结构1000的介电颗粒1004的至少一个共振模式的任何适当波长。例如，激发EMR源1006可以发射具有从约350nm至IOOOnm的波长范围的EMR。由激发EMR源1006发射的激发EMR可以直接从源1006被输送给电场增强结构1002。可替换地，可以在激发EMR撞击到电场增强结构1002之前，由光学部件1010来执行激发辐射的准直、过滤以及随后的聚焦。光学部件1010可以进一步包括一个或多个极化板(polarizingplate),所述极化板用于选择性地控制激发EMR的极化方向。电场增强结构1002可以增强分析物的拉曼信号。换言之，如前面所述，来自激发EMR源1006的激发EMR对电场增强结构1002的介电颗粒1004的照射在相邻介电颗粒1004之间产生增强的电场，这可以增加定位在介电颗粒1004附近或者与介电颗粒1004相邻的分析物分子非弹性散射的光子的数目。拉曼散射的光子可以利用光学部件1012而被准直、过滤或者聚焦。例如，可以将一个或者多个过滤器用作检测器1008的结构的一部分，或者用作分离的单元，该分离的单元被配置为过滤激发辐射的波长，从而允许仅拉曼散射的光子被检测器1008接收。检测器1008接收并检测拉曼散射的光子，并且可以包括单色仪(或者任何其它用于确定拉曼散射的光子的波长的适当设备)以及比如光电倍增器的用于确定拉曼散射的光子的数量(强度)的设备。理想地，拉曼散射的光子被各向同性地散射，在相对于电场增强结构1002的所有方向上被散射。因此，检测器1002的相对于电场增强结构1002的位置并不是特别重要。然而，检测器1008可以定位成相对于入射激发辐射的方向成例如90度的角，以便使可以入射到检测器1008上的入射激发辐射的强度最小化。为了使用拉曼光谱系统1000来执行拉曼光谱检查，用户可以提供与电场增强装置1002的介电颗粒1004相邻的一个或多个分析物分子。分析物和电场增强结构1002被利用来自激发EMR源1006的激发EMR照射。然后，由该分析物散射的拉曼散射的光子被检测器1008检测。拉曼光谱仅仅是可以使用所公开的电场增强结构的一个应用。其它应用包括粒子检测器(particle detector)或者其它感测应用。在本发明的一些实施例中，拉曼光谱系统1000可以被重新配置为通过使用检测器908检测由于粒子接触一个或多个介电颗粒1004 而发生的介电颗粒1004的共振模式的偏移(shifting)来检测位于电场增强结构1002上的粒子。例如通过从电场增强结构1002的透射谱或者反射谱中检测共振模式的偏移，可以检测位于介电颗粒1004上的一个或者多个粒子(particle)的存在。本发明的接下来的例子I至5陈述了包括两个相邻介电颗粒的各种电场增强结构以及这些增强结构的所计算的电场强度。例子I至例子5提供了关于本发明的上述各种实施例的进一步的细节。在例子I至5中，电场强度是使用公知的时域有限差分(“FDTD”，finite differencetime domain)方法而计算的。图11至15的强度等值线图是以灰度示出的，其中最大电场强度被标准化到零分贝。在图11至图15中示出了电场的绝对值的对数，其中较浅色的区域表示更强的所计算的电场。硅盘被示出为从它们真实的圆形形状轻度变形，这是因为在该计算中用于相邻硅颗粒之间的区域的空间网格(space grid)比用于其它区域的空间网格明显更细。例子I图11示出了两个相邻的硅盘，其中每个硅盘都具有直径2000nm和厚度200nm。这两个相邻硅盘之间的间距是10nm。硅盘被具有比所述硅盘的折射率更低的折射率的空气包围。用激发EMR照射硅盘，所述激发EMR具有频率122. 9THz，该频率处于或者接近于每个硅盘的共振频率。激发EMR的波矢大致平行于图11中所示的Z轴。激发EMR的电场的极化方向大致平行于图11中所示的X轴。图11中示出了被约束在每个硅盘之内的共振模式的所计算的强度以及相邻硅盘之间的电场的所计算的强度。如所计算出的那样，最大电场强度位于硅盘之间，并且为激发EMR的电场强度的约58. 6倍。例子2图12示出了两个相邻的硅盘，其中每个硅盘都具有直径2000nm和厚度200nm。这两个相邻硅盘之间的间距是20nm。硅盘被具有比所述硅盘的折射率更低的折射率的空气包围。利用激发EMR照射硅盘，所述激发EMR具有频率123. 6THz，该频率处于或者接近于每个硅盘的共振频率。激发EMR的波矢大致平行于图12中所示的Z轴。激发EMR的电场的极化方向大致平行于图12中所示的X轴。图12中示出了被约束在每个硅盘之内的共振模式的所计算的强度以及相邻硅盘之间的电场的所计算的强度。如所计算出的那样，最大电场强度位于硅盘之间，并且为激发EMR的电场强度的约46. 8倍。例子3图13示出了两个相邻的硅盘，其中每个硅盘都具有直径2000nm和厚度200nm。这两个相邻硅盘之间的间距是5nm。硅盘被具有比所述硅盘的折射率更低的折射率的空气包围。利用激发EMR照射硅盘，所述激发EMR具有频率121. 852THz，该频率处于或者接近于每个硅盘的共振频率。激发EMR的波矢大致平行于图13中所示的Z轴。激发EMR的电场的极化方向大致平行于图13中所示的X轴。图13中示出了被约束在每个硅盘之内的共振模式的所计算的强度以及相邻硅盘之间的电场的所计算的强度。如所计算出的那样，最大电场强度位于娃盘之间，并且为激发EMR的电场强度的约81. 8倍。例子4
图14示出了两个相邻的硅盘，其中每个硅盘都具有直径2000nm和厚度200nm。这两个相邻硅盘之间的间距是20nm。硅盘被具有比所述硅盘的折射率更低的折射率的空气包围。利用激发EMR照射硅盘，所述激发EMR具有频率123. 6THz，该频率处于或者接近于每个硅盘的共振频率。激发EMR的波矢大致平行于图14中所示的Y轴，其中Y轴垂直于X轴和Z轴。激发EMR的电场的极化方向大致平行于图12中所示的X轴。图14中示出了被约束在每个硅盘之内的共振模式的所计算的强度以及相邻硅盘之间的电场的所计算的强度。如所计算出的那样，最大电场强度位于硅盘之间，并且为激发EMR的电场强度的约18倍。因此，例子2和4图解说明了激发EMR的传播方向如何影响硅盘之间的电场增强。在电场极化方向和盘成分、几何形状以及间距相同的情况下，当激发EMR的波矢大致平行于Y轴时，硅盘之间的区域中的电场增强约为当波矢大致平行于Z轴时的2. 6分之一。例5图15不出了两个相邻的娃盘结构,其中每个娃盘结构都具有相对较大直径的娃盘，所述硅盘具有直径2000nm和厚度200nm。每个硅盘结构还包括相对较小的、从较大的硅盘突出的硅尖(silicon tip)，所述硅尖具有直径12. 5nm和厚度200nm。图15中所示的介电颗粒结构与图8中所示的实施例相同。这两个相邻的较小硅盘之间的间距是30nm。硅盘被具有比所述硅盘的折射率更低的折射率的空气包围。利用激发EMR照射硅盘，所述激发EMR具有频率121. 197THZ，该频率处于或者接近于每个硅盘结构的共振频率。激发EMR的波矢大致平行于图15中所示的Z轴。激发EMR的电场的极化方向大致平行于图15中所示的X轴。图15中示出了被约束在每个硅盘结构之内的共振模式的所计算的强度以及相邻的相对较小的硅尖之间的电场的所计算的强度。如所计算出的那样，最大电场强度位于硅盘之间，并且为激发EMR的电场强度的约113倍。尽管本发明是按照特定实施例说明的，但是这并打算将本发明限制于这些实施例。对本领域技术人员而言，在本发明的精神之内的修改将是显而易见的。例如，相邻介电颗粒之间的被增强的电场可以用于激发量子点中的某些电子态。因此，在本发明的另一实施例中，可以在图I和图2中所示的两个介电颗粒102和103的上方或者在所述两个介电颗粒上形成一个或多个量子点，从而在中间增强区域107之内或者紧接中间增强区域107所生成的增强的电场激发所述一个或多个量子点中的某些电子态。为了说明的目的，前述描述使用了特定的术语以便提供对本发明的透彻理解。然而，将对于本领域技术人员显而易见的是，并不需要具体细节来实施本发明。本发明的具体实施例的前述描述是出于图解说明和描述的目的而给出的。这些描述并不打算是穷尽的或者将本发明限制于所公开的精确形式。鉴于以上教导，许多修改和变型是可能的。示出和说明实施例是为了最佳地解释本发明的原理和其实际应用，以便由此使得本领域的其它技术人员能够最佳地使用本发明和具有适于所构思的特定用途的各种修改的各种实施例。意在由权利要求书或者它们 的等价物来限定本发明的范围。
权利要求
1.一种电场增强结构(100),包括 衬底(104);以及 有序布置的介电颗粒，所述介电颗粒包括彼此间隔受控距离(S)的至少两个相邻的介电颗粒(102，103)，所述受控距离(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从而导致所述至少两个相邻的介电颗粒(102，103)之间的增强的电场。
2.根据权利要求I所述的电场增强结构，其中受控距离(S)被选择为使得所述至少两个相邻的介电颗粒(102，103)之间的增强的电场的强度最大化。
3.根据权利要求I所述的电场增强结构，其中受控距离(S)大于零
4.根据权利要求I所述的电场增强结构，其中所述至少两个相邻的介电颗粒(102，.103)的每一个包括下列其中之一 半导体材料；以及 电绝缘材料。
5.根据权利要求I所述的电场增强结构，其中所述至少两个相邻的介电颗粒(802，.808)的每一个包括主体(804，810)，所述主体(804，810)包括具有尖的突出部分(806，.812)，所述突出部分(806，812)的每一个的尖都彼此相对并且彼此间隔所述受控距离(S)。
6.一种电场增强装置(1000)，包括: 激发光源(1006)，其用于输出激发电磁辐射；以及 根据权利要求I所述的电场增强结构(1002)，其可操作地耦合到所述激发光源(1006)。
7.根据权利要求6所述的电场增强装置，其中 所述至少两个相邻的介电颗粒(102，102，1004)沿着第一方向分布；以及 激发光源(1006)用于输出激发电磁福射,所述激发电磁福射具有电场,该电场具有所选择的极化方向以及所选择的波矢，所述所选择的极化方向大致平行于第一方向。
8.根据权利要求7所述的电场增强装置，其中 所述至少两个相邻的介电颗粒(102，103，1004)的每一个具有限定第二方向的厚度，该第二方向大致垂直于该第一方向；以及 激发光的所选择的波矢大致平行于第三方向，该第三方向大致垂直于该第一方向和该第二方向或者激发光的所选择的波矢大致平行于该第二方向。
9.根据权利要求6所述的电场增强装置，进一步包括检测器(1008)，检测器(1008)被配置为接收由与介电颗粒(102，103，1004)相邻定位的分析物所散射的拉曼散射光。
10.一种用于增强至少两个相邻的介电颗粒(102，103)之间的电场的方法，该方法包括 利用激发电磁辐射来照射所述至少两个相邻的介电颗粒(102，103)，该激发电磁辐射具有被选择为在所述至少两个相邻的介电颗粒(102，103)的每一个中激发共振模式的频率；以及 将所述至少两个介电颗粒(102，103)定位得足够接近，使得所述共振模式的每一个都彼此交互从而导致所述至少两个相邻的介电颗粒(102，103)之间的增强的电场。
全文摘要
在本发明的一个方面，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。
文档编号G01N21/65GK102762977SQ200880008120
公开日2012年10月31日 申请日期2008年3月10日 优先权日2007年3月14日
发明者D·法塔尔, M·西加拉斯, R·S·威廉斯, R·博索莱尔, S·王 申请人:惠普开发有限公司