六方周期Au孔洞結(jié)構(gòu)制備與表征方法研究

楊潤

摘 要：表面等離激元器件的應(yīng)用極大擴(kuò)展了傳統(tǒng)光學(xué)器件不能達(dá)到的極限，為了滿足對表面等離激元器件的需求，我們需要探索出能夠大面積、低成本制備表面等離激元器件的方法。本文利用聚苯乙烯（Polystyrene，PS）納米球自組裝方法，在多層介質(zhì)材料基底上制備了六方周期Au納米孔洞結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了低成本、大面積的制備表面等離激元器件。所制備的表面等離激元Au納米孔洞器件可以應(yīng)用在表面增強(qiáng)拉曼光譜研究、生物醫(yī)學(xué)傳感、超限分辨成像等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：表面等離激元;六方周期結(jié)構(gòu)，自組裝

近二十年來，各種納米制備技術(shù)的快速發(fā)展使得科研人員能夠制備更加精細(xì)的納米結(jié)構(gòu)，從而在亞波長尺度上研究光與物質(zhì)的相互作用[1]。將入射光局域在亞波長尺度的金屬表面，并與金屬表面自由電子發(fā)生耦合產(chǎn)生沿表面?zhèn)鞑サ碾姶挪ǖ默F(xiàn)象既為表面等離激元共振（Surface Plasmon Resonances，SPR）[2]。與傳統(tǒng)的光學(xué)器件不同，表面等離激元能夠突破衍射極限使得傳輸電磁波達(dá)到無與倫比的增強(qiáng)和聚焦效果。當(dāng)前，人們利用表面等離激元的特殊性質(zhì)制備了包括表面增強(qiáng)熒光檢測儀、生物蛋白檢測儀、超分辨成像儀等[3-5]。

目前，表面等離激元器件制備大多采用干涉光刻、離子束刻蝕、電子束曝光[6]，這些制備方法雖然制備精度能到納米級(jí)，但這些制備技術(shù)需要用到高端制造設(shè)備，采用以上方法制備納米器件成本高、效率低，不適合工業(yè)化大面積生產(chǎn)。本文采用PS小球自組裝技術(shù)，在Ce：YIG/YIG/Si三層介質(zhì)基底上制備了周期為550nm，孔洞直徑為340nm左右的六方周期Au孔洞結(jié)構(gòu)，并利用SEM和AFM表征樣品表面形貌。

1 Au納米孔洞結(jié)構(gòu)制備

利用脈沖激光沉積（Pulsed Laser Deposition，PLD）技術(shù)在雙拋Si基片表面沉積一層大約50nm厚的YIG材料，利用快速退火使得YIG結(jié)晶;然后再利用PLD在YIG種子層上沉積一層約65nm的Ce：YIG材料。如圖1所示，Ce：YIG/YIG/Si三層介質(zhì)基底制備完成后，經(jīng)過以下步驟制備六方周期Au納米孔洞結(jié)構(gòu)：

首先，在Ce：YIG/YIG/Si三層介質(zhì)基底上排布直徑約為550nm的PS納米球，再利用氧等離子體刻蝕PS小球，通過控制氧等離子體刻蝕時(shí)間和刻蝕速率得到直徑約為340nm的六方周期納米球陣列。然后，利用熱蒸發(fā)技術(shù)，沉積厚度大約為40nm的Au。最后，利用甲苯溶液洗去PS納米球，得到六方周期Au孔洞結(jié)構(gòu)。

2 Au納米孔洞結(jié)構(gòu)SEM表征

圖2顯示了利用PS納米球自組裝法制備的六方周期Au孔洞結(jié)構(gòu)表面SEM圖，從圖中可以看到制備的納米孔洞結(jié)構(gòu)表面均勻，且實(shí)現(xiàn)大面積制備，孔洞直徑直徑大約在340nm，符合最初的設(shè)計(jì)尺寸。利用PS小球自組裝法得到的表面等離激元器件，具有大面積制備、成本低的特點(diǎn)，適合應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。

3 Au納米孔洞結(jié)構(gòu)AFM表征

圖3顯示了六方周期Au納米孔洞結(jié)構(gòu)的AFM圖，從圖中可以看出，在2微米的范圍內(nèi)Au孔洞結(jié)構(gòu)深度大約為40nm，同時(shí)可以觀察到Au孔表面較為光滑，粗糙度低，說明利用自組裝法得到的六方周期孔洞質(zhì)量較高。

4 結(jié)論

本文利用PS小球自組裝法在Ce：YIG/YIG/Si三層介質(zhì)基底上制備了表面均勻整潔的六方周期Au納米孔洞結(jié)構(gòu)，通過控制氧等離子體刻蝕PS小球的速率和時(shí)間可以制備出不同直徑的六方周期性孔洞結(jié)構(gòu)，采用該方法可以大面積低成本的制備出高質(zhì)量的表面等離激元器件，為實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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