非线性纳米金属螺旋锥探针的制作方法

本发明属于光学和光电技术领域，涉及纳米聚焦、纳米操纵、纳米光电器件和表面等离子体激发，特别是一种改进的能产生强纵向偏振电场和旋转电场的高空间分辨率、高灵敏度的金属光电探针。

背景技术：

提高纳米聚焦的强度和对纳米聚焦矢量场的控制，对于纳米光刻、纳米传感以及纳米操纵和粒子的筛选至关重要，而将这两种效果结合的结构之前有纳米金属螺旋轴锥探针的发明，但需要改变纳米锥和螺旋结构的比例，且当比例较大时相应的就会给材料利用和加工带来难度，两种效果难以很好的兼得。且纳米金属螺旋轴锥探针中的螺旋为线性结构，将金属纳米锥与金属非线性螺旋结构组合进行研究的发明与研究并未提出，仅通过改变非线性因子来进行光场调控可以优化结构和材料。

技术实现要素：

本发明目的是为产生具有更好的旋转特性和高局域强场的纳米聚焦矢量场，提供一种由金属纳米锥结构和金属非线性螺旋结构复合构成的高空间分辨率和高灵敏度的近场非线性纳米金属螺旋锥探针。

本发明提供的高空间分辨率和高灵敏度的近场非线性纳米金属螺旋锥探针，由金属纳米锥结构和金属非线性螺旋结构复合构成，在之前调控效果最好的纳米金属螺旋锥探针中锥和螺旋结构3:1复合的基础上，引入螺旋结构非线性因子N，该探针在柱状坐标系的结构方程h(ρ,θ)为：

由非线性螺旋结构表达式：

可以得到对角度的偏导：

其中：(1)式中系数3代表金属纳米锥的结构占3份，系数1代表金属非线性螺旋的结构占1份；ρ和θ是柱状坐标系下的半径和角度，0≤θ≤2π，0≤ρ≤R，h0是预设的初始高度参数，N是金属非线性螺旋结构的非线性因子，且为大于1小于6的正整数，R是底面半径，h0和R的大小均为纳米量级。

所述的非线性纳米金属螺旋锥探针，结合了金属纳米锥和金属非线性螺旋结构的优势。当入射光(径向偏振光)垂直入射该非线性纳米金属螺旋锥探针底面时，表面等离激元沿着探针表面向顶端传播，在顶端形成纳米聚焦的高局域强场和旋转电场，且产生的纳米聚焦电场的半宽仅为13个nm。

所述的非线性纳米金属螺旋锥探针，仅通过改变非线性螺旋结构中的非线性因子N便可以实现对纳米聚焦电场的调控，非线性因子N越大，得到的聚焦电场强度越大且均达4个数量级，而且径向偏振光入射得到的纵向场分量均占总场的54.4％以上。

本发明的优点和积极效果：

本发明提供的非线性纳米金属螺旋锥探针，在之前调控效果最好的纳米金属螺旋锥探针中锥和螺旋结构3:1复合的基础上，引入螺旋结构非线性因子N，且N为大于1小于6的正整数。当入射光(径向偏振光)垂直入射底面时，表面等离激元沿着探针表面向顶端传播，在顶端形成纳米聚焦的高局域强场和旋转电场，且在探针顶端产生高局域强场的半宽均在13个nm，强度均达4个数量级，纵向偏振分量均在54.4％以上，更有利于提高纳米探测和成像的灵敏度，而且具有较强的旋转特性，从而利于实现纳米粒子的操纵和筛选。更重要的是，仅通过改变金属非线性螺旋结构的非线性因子N便可以实现对纳米聚焦电场的调控，加工材料的利用率比较高。

本发明可用作原子力显微镜、扫描近场显微镜等扫描探针显微镜以及针尖增强拉曼光谱仪的高分辨率和高灵敏度探针。对纳米传感、纳米光刻和纳米操纵等领域有重要的应用价值。

附图说明

图1是金属纳米锥结构和金属非线性螺旋结构复合构成的高空间分辨率和高灵敏度的非线性纳米金属螺旋锥探针结构图。其中：(a)是非线性纳米金属螺旋锥探针的主剖视图；(b)是新型非线性纳米金属螺旋锥探针的右剖视图；(c)是非线性纳米金属螺旋锥探针的俯视图。

图2是非线性因子N＝4，探针总高度h＝800nm时，非线性纳米金属螺旋锥探针产生的纳米聚焦。其中：(a)和(b)分别是电场E在xz和yz平面的强度分布图；(c)是在探针焦点附近所在yz平面上|Ey|²+|Ez|²的电场强度分布和方向分布图；(d)是在探针焦点处所在xy平面上|Er|²＝|Ex|²+|Ey|²的电场强度分布和方向分布图。

图3是非线性因子分别为N＝2,N＝3,N＝4时，非线性纳米金属螺旋锥探针产生的纳米聚焦半宽图。其中：(a)是N＝2时电场E的强度半宽分布图；(b)是N＝3时电场E的强度半宽分布图；(c)是N＝4时电场E的强度半宽分布图。

图4是非线性因子分别为N＝2,N＝3,N＝4时，非线性纳米金属螺旋锥探针焦点处产生的坡印廷矢量图。其中：(a)是N＝2时探针焦点处Sxy的强度分布和方向分布图；(b)是N＝3时探针焦点处Sxy的强度分布和方向分布图；(c)是N＝4时探针焦点处Sxy的强度分布和方向分布图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明提供的高灵敏度和高空间分辨率的近场非线性纳米金属螺旋锥探针由金属纳米锥结构和金属非线性螺旋结构复合构成，其在柱状坐标系的结构方程h(ρ,θ)为：

由非线性螺旋结构表达式：

可以得到对角度的偏导：

其中：(1)式中系数3代表金属纳米锥的结构占3份，系数1代表金属非线性螺旋的结构占1份；ρ和θ是柱状坐标系下的半径和角度，0≤θ≤2π，0≤ρ≤R，h0是预设的初始高度参数，N是金属非线性螺旋结构的非线性因子，且N为大于1小于6的正整数(由公式(3)得到)，R是底面半径，h0和R的大小均为纳米量级。

本发明中非线性纳米金属螺旋锥探针的制作可采用对向靶直流磁控溅射和聚焦离子束刻蚀技术来实现。其具体步骤如下：

(1)利用对向靶直流磁控溅射方法在石英等玻璃衬底上或硅等半导体衬底上溅射金、银、铝、铜等纳金属膜；

(2)利用聚焦离子束刻蚀技术在纳金属膜上刻蚀金属非线性螺旋纳米锥结构。

具体应用实例1

非线性纳米金属螺旋锥探针的具体参数以如下为例：

材料为银，入射波长λinc＝800nm，此时其相对介电常数εm＝-30.1495+0.3932i，选取h0＝λ/4＝200nm，R＝λ/2＝400nm，入射光为径向偏振光，其偏振方向垂直于底面边缘向外，设初始入射光强为1a.u.。

图2是非线性因子N＝4，探针总高度h＝800nm时，非线性纳米金属螺旋锥探针产生的纳米聚焦，总强度为14801a.u.，强度可达4个数量级。其中：(a)和(b)分别是电场E在xz和yz平面的强度分布图；(c)是在探针焦点附近所在yz平面上|Ey|²+|Ez|²的电场强度分布和方向分布图，其方向如图中箭头所示，电场围绕焦点处向外旋转分布；(d)是在探针焦点处所在xy平面|Er|²＝|Ex|²+|Ey|²上的电场强度分布和方向分布图，其方向如图中箭头所示，电场围绕焦点处向外旋转分布。

图3是非线性因子分别为N＝2，N＝3，N＝4时，非线性纳米金属螺旋锥探针产生的纳米聚焦半宽图。其中：(a)是N＝2时电场E的强度半宽分布图；(b)是N＝3时电场E的强度半宽分布图；(c)是N＝4时电场E的强度半宽分布图。半宽均在13个nm，且强度分别为12399a.u.，13914a.u.，14801a.u.，强度成递增增加，对比相同条件下的金属线性螺旋纳米轴锥结构产生的强度最大值10985a.u.，新型非线性纳米金属螺旋锥探针产生的强度最大值在此基础上至少增加了2000a.u.。

图4是非线性因子分别为N＝2,N＝3,N＝4时，非线性纳米金属螺旋锥探针焦点处产生的坡印廷矢量图。其中：(a)是N＝2时探针焦点处Sxy的强度分布和方向分布图；(b)是N＝3时探针焦点处Sxy的强度分布和方向分布图；(c)是N＝4时探针焦点处Sxy的强度分布和方向分布图。由图中可得出焦点处能量均向外旋转分布，即该非线性纳米金属螺旋锥电场具有旋转效果，从而有利于纳米操纵和粒子筛选的实现。

在非线性纳米金属螺旋锥探针底面激发的表面等离激元，沿着探针表面向顶端传播， 在顶端形成纳米聚焦的高局域强场和旋转电场。且对于不同的非线性因子N，可以得到不同的聚焦电场且强度均在4个数量级，纵向场分量均占总场的54.4％以上。与此同时，当非线性因子N越大时，可以得到更强的纳米聚焦和旋转电场，且聚焦半宽均在13个nm，对提高纳米光刻、纳米传感的灵敏度和纳米粒子操纵与筛选方面至关重要。