电场增强结构的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种电场增强结构，包括基底层及设置在所述基底层表面的介质层，还包括设置在所述介质层表面的隔离层及设置在所述隔离层表面的介电颗粒层，所述介电颗粒层由多个介电颗粒形成，所述介电颗粒的折射率大于所述隔离层的折射率。本发明的优点在于，高折射率介电颗粒能够和入射的电磁场相互作用产生谐振的电磁耦合模式，热损耗能够大大降低；介电颗粒靠近金属，保持一定的低折射率的隔离层，介电颗粒的电磁谐振模式能够与邻近金属的等离激元模式相互作用，导致介电颗粒和金属之间形成极大的电磁增强场；低折射率隔离层的存在能够避免金属和探测物直接接触，有效防止探测物的拉曼信号、荧光信号等的淬灭现象的发生。
【专利说明】
电场増强结构
技术领域
[0001] 本发明涉及光电场增强领域，尤其涉及一种增强入射光电场强度的电场增强结 构。
【背景技术】
[0002] 金属颗粒在电磁波的激励耦合下产生表面电子的集体震荡表现了奇异的光学特 性，也就是所谓的局域等离激元共振特性。这种光和电子的共振能够将光约束在金属颗粒 表面几十纳米甚至更小的范围，并且形成很强的局域电磁场，金属颗粒的局域等离激元超 强的光学局域和光场增强特性使其在生物传感器、表面增强拉曼光谱以及荧光增强光谱等 技术上展现了巨大的应用前景。
[0003] 基于金属颗粒的表面增强拉曼光谱就是一种公知的光谱应用技术，其原理主要利 用实验准备的金属粗糙表面或者金属颗粒附近的增强的电场增加来自探测分子的拉曼信 号。在表面增强拉曼试验中，探测分子被吸附在活化的金属表面或者结构上或者被放置与 活化的金属表面或者颗粒相邻。利用一定频率的光来照射探测分子和金属表面或者金属颗 粒，电磁波在该金属表面或者金属颗粒中激发表面等离子体。探测分子经过这种增强的局 域等离激元电场的作用，能够产生105-10 1°倍的拉曼散射信号的增强效果。对于一些纳米 级的金属纳米针，纳米天线结构，其超强的光电场增强，甚至可以用来探测单个分子的拉曼 信号。除了增强拉曼上的应用，金属纳米颗粒的光电场增强还可以用到生物传感器、荧光寿 命增强以及纳米激光器等方面。
[0004] 金属颗粒的等离激元光电场增强广受关注，但是其应用前景也同样受到限制。最 为关键的技术问题在于金属颗粒中自由电子等离激元共振产生的局域电磁场增强通常伴 随着较大的电磁能量吸收，产生大量的金属热损耗，最终导致金属颗粒及周围环境的温度 升高。理论和实验研究（Nano Totay, 2007, 2, 30)报道连续光源激励下金属颗粒温度可以 增加50K，而在脉冲光源的照射下温度能够升高1000K。这种金属颗粒温度的升高不仅会引 起其在拉曼光谱探测应用中探测分子拉曼信号增强性能的退化，而且有可能改变金属颗粒 及其周围探测物质的性质，从而使得金属颗粒的电场增强在某些生物医学上的应用受到了 限制。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种电场增强结构，其能够大大降低热消耗。
[0006] 为了解决上述问题，本发明提供了一种电场增强结构，包括基底层及设置在所述 基底层表面的介质层，还包括设置在所述介质层表面的隔离层及设置在所述隔离层表面的 介电颗粒层，所述介电颗粒层由多个介电颗粒形成，所述介电颗粒的折射率大于所述隔离 层的折射率。
[0007] 进一步，所述介电颗粒的折射率与所述隔离层的折射率的比值大于1. 4。
[0008] 进一步，所述隔离层的折射率大于1。
[0009] 进一步，所述介电颗粒散乱设置在所述隔离层表面上，以形成介电颗粒层。
[0010] 进一步，所述电磁增强结构受一定波长的电磁波的激发，所述介电颗粒的的尺寸 与所述电磁波的波长的比值范围为〇. 05-1。
[0011] 进一步，所述介电颗粒的材料为无机材料或有机材料中的一种。
[0012] 进一步，所述介质层的材料为石墨稀或金属。
[0013] 本发明的优点在于：
[0014] 1、高折射率介电颗粒能够和入射的电磁场相互作用产生谐振的电磁耦合模式，这 种谐振模的产生基于介电颗粒中的束缚电子电磁耦合共振，相比于金属颗粒中的自由电子 的等离激元共振，热损耗能够大大降低。
[0015] 2、介电颗粒靠近金属，保持一定的低折射率的隔离层，介电颗粒的电磁谐振模式 能够与邻近金属的等离激元模式相互作用，导致介电颗粒和金属之间形成极大的电磁增强 场。
[0016] 3、低折射率隔离层的存在能够避免金属和探测物直接接触，有效防止探测物的拉 曼信号、荧光信号等的淬灭现象的发生。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明电场增强结构的结构示意图；
[0018] 图2是本发明电场增强结构在硅介电颗粒中心沿XY平面的电场强度分布图；
[0019] 图3是本发明硅介电颗粒和金属银介质层之间电场增强以及空气中硅介电颗粒 附近电场增强的在不同电磁激发波长的函数曲线；
[0020] 图4是本发明电场增强度随着不同隔离层厚度的变化曲线。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图对本发明提供的电场增强结构的【具体实施方式】做详细说明。
[0022] 图1中X-轴、Y-轴及Z-轴分别代表X轴、Y轴及Z轴。
[0023] 参见图1，本发明电场增强结构包括基底层101、设置于所述基底层101表面的介 质层102、设置在所述介质层102表面的隔离层103及设置在所述隔离层103表面的介电颗 粒层104。
[0024] 所述介电颗粒层104由多个介电颗粒105形成，图1中仅示意性地标示出一个介 电颗粒105。本发明的介电颗粒105受到电磁波辐射的激发产生一定频率电磁谐振模式，这 种电磁谐振模式与介质层102激发的金属等离激元相互耦合，导致介电颗粒105和介质层 102之间形成增强的电场。
[0025] 高折射率介电颗粒105受电磁波辐射的激发产生的一定频率的电磁谐振模式能 够和入射的电磁场相互作用产生谐振的电磁耦合模式，这种谐振的电磁耦合模式的产生基 于介电颗粒105中的束缚电子电磁耦合共振，相比于金属颗粒中的自由电子的等离激元共 振，本发明电场增强结构的热损耗能够大大降低。
[0026] 在本【具体实施方式】中，所述介电颗粒105散乱设置在所述隔离层103表面上，以形 成介电颗粒层104。所述散乱设置指的是介电颗粒105杂乱无章的、随机的、没有规律的设 置在所述隔离层103的表面上。
[0027] 所述介电颗粒105的材料可以为有机材料或或无机材料；所述有机材料为有机聚 合物任意一种；所述无机材料为娃、锗、二氧化钛、磷化镓、砷化镓、硫化镉、氧化锌、氮化镓、 砸化锦中任意一种或者一种可使用微制造技术或者纳米制造技术加工的尚折射率的材料 制成。
[0028] 所述介电颗粒105的形状可以为任意形状，例如，球体、圆柱、棱锥、多面体，本发 明不进行限制。本【具体实施方式】中，所述介电颗粒105的材料为硅，选取为球体，其半径r 选取65nm〇
[0029] 进一步，所述电场增强结构受一定波长的电磁波的激发，所述介电颗粒105的尺 寸与所述电磁波的波长的比值范围为〇. 05-1。所述介电颗粒105的尺寸指介电颗粒105在 所有方向上的最大长度。
[0030] 所述基底层101起到支撑衬底的作用，本发明不对其材料进行限制。
[0031] 所述介质层102的材料可以为石墨烯或金属，所述金属可以为金、银、铝、铜、钛、 镍、铬中任意一种或几种的合金。本【具体实施方式】中采用银材料，复介电函数色散关系为：
Ep=9.5eV, γ =0.04eV。其中，ε Ag为银的复介电函数，ε b为 银的电介质常数部分，Ep为银的自由电子气的等离子振荡能量，γ为银的自由电子气的振 荡弛豫时间，Ε为电磁波的振荡能量。
[0032] 所述隔离层103由MgF4, A1203, Si3N4等低折射率电介质材料构成。所述介电颗粒 层104的折射率大于所述隔离层103的折射率，优选地，所述介电颗粒层104的折射率与所 述隔离层103的折射率的比值大于1. 4,所述隔离层103的折射率大于1。所述隔离层103 调节介质层102与介电颗粒层104之间的电磁分布，使更多的电磁能量局域在介电颗粒层 104以下及介质层102以上的亚波长区域，进一步远离金属表面，从而减少金属的热消耗， 增强电磁场的局域强度。在本发明电场增强结构应用于拉曼实验中，隔离层103能够阻止 荧光探测分子和金属的直接接触，避免这些化学活性分子的增强性能的淬灭效应。
[0033] 本发明的电场增强结构可以通过适当地选择来自光源（的激发电磁场特性（如电 场激化方向和频率）来激发介电颗粒和金属衬底的耦合共振模式。激发光源可以包括任何 用于以所希望的波长发射电磁波的适当源，并且能够可调波长的辐射。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、发光二极管、白炽灯以及许多其他公知的辐射 发射源。对于给定折射率和几何形状的介电颗粒，耦合共振模式发生在特定频率。此外改 变介电颗粒的尺寸、形状和折射率可以明显地改变耦合共振模式的电场增强谱。
[0034] 自由空间中的介电颗粒在电磁场的照射下能够产生一定波长的共振模式，这类共 振模式也被称为介电颗粒的Mie散射振荡。当这种共振模式逐渐靠近金属界面时，在每个 介电颗粒激发的单独的共振模式受到金属反射以及金属等离激元交互作用，能够在介电颗 粒和金属之间增强区域局部的增强激发的电磁场的电场，电场增强主要局域在介电颗粒以 下金属以上的区域。与介电颗粒和金属镜像产生的介电颗粒的每个共振模式相关联的各个 逐渐消逝的电场彼此耦合以及金属等离激元的作用以便在中间增强区域内局部的增强激 发源的电场。对介电颗粒和金属之间的电场的增强可以是激发电场的约10倍至约400倍 之间。
[0035] 使用时域有限差分方法对本实施例电场增强结构进行了仿真模拟，图2所示为电 场增强结构在485nm电磁波激发波长下，隔离层103厚度d为1纳米时，本发明电场增强结 构在硅介电颗粒105中心沿XY平面的电场强度分布图。由图2可见，大部分的电场能量居 于硅介电颗粒层104之下二氧化硅隔离层103之上，尤其在硅介电颗粒层104和二氧化硅 隔离层103的接触点两边数十纳米区域，电场强度得到了极大的增强。
[0036] 图3所示为电磁激发波长为440-700nm时，本发明【具体实施方式】中硅介电颗粒层 104和金属银介质层102之间电场增强以及空气中硅介电颗粒105附近电场增强的在不同 电磁激发波长的函数曲线。由图3可见，硅介电颗粒105在电磁波的激发下具有一定的电 磁谐振模式，在电场增强曲线显示为两个电场增强峰，即具有两种不同波长的耦合共振模 式，低波长模式为电偶极模，高波长模式为磁偶极模。本【具体实施方式】中的电场增强结构中 硅介电颗粒105的电磁谐振模和下层的金属等离激元发生耦合，极大的增强了硅介电颗粒 105的电场强度。
[0037] 图4所示为本发明提供的【具体实施方式】中电场增强度随着不同隔离层103厚度d 的变化曲线。由图4可见，电场增强强度随着隔离层103厚度d的减少而增大，这主要是由 于，隔离层103厚度越小，介电颗粒105谐振模式与金属等离激元耦合强度越大，导致电磁 局域的程度增加。
[0038] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为 本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种电场增强结构，包括基底层及设置在所述基底层表面的介质层，其特征在于，还 包括设置在所述介质层表面的隔离层及设置在所述隔离层表面的介电颗粒层，所述介电颗 粒层由多个介电颗粒形成，所述介电颗粒的折射率大于所述隔离层的折射率。2. 根据权利要求1所述的电场增强结构，其特征在于，所述介电颗粒的折射率与所述 隔离层的折射率的比值大于1. 4。3. 根据权利要求1所述的电场增强结构，其特征在于，所述隔离层的折射率大于1。4. 根据权利要求1所述的电场增强结构，其特征在于，所述介电颗粒散乱设置在所述 隔离层表面上，以形成介电颗粒层。5. 根据权利要求1所述的电场增强结构，其特征在于，所述电磁增强结构受一定波长 的电磁波的激发，所述介电颗粒的的尺寸与所述电磁波的波长的比值范围为0. 05-1。6. 根据权利要求1所述的电场增强结构，其特征在于，所述介电颗粒的材料为无机材 料或有机材料中的一种。7. 根据权利要求1所述的等离激元窄带吸收薄膜，其特征在于，所述介质层的材料为 石墨稀或金属。
【文档编号】G01N21/64GK106033059SQ201510106412
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2015年3月11日
【发明人】黄增立, 王建峰, 刘争晖, 徐耿钊, 钟海舰, 樊英民, 徐科
【申请人】中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所