專利名稱：用于進行拉曼光譜學的基于納米線的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明實施例總地涉及用于進行表面增強拉曼光譜學的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
拉曼光譜學是一種應用于凝聚體物理和化學以研究分子體系中的振動模式、轉(zhuǎn)動模式和其它低頻模式的光譜技術(shù)。在拉曼光譜實驗中，特定波長范圍的單色光束穿過分子的樣品，并且發(fā)出散射光的光譜。術(shù)語“光”并不旨在局限于波長位于電磁頻譜的可見光部分內(nèi)的電磁輻射，而是還包括波長在可見光部分之外的電磁輻射，例如電磁頻譜的紅外線和紫外線部分，且可以用于指代非量子和量子電磁輻射。從分子發(fā)出的波長的光譜被稱為 “拉曼光譜”，發(fā)出的光被稱為“拉曼散射光”。拉曼光譜可顯示出分子的電子能級、振動能級以及轉(zhuǎn)動能級。不同的分子產(chǎn)生不同的可像指紋一樣被使用的拉曼光譜以識別分子甚至能確定分子的結(jié)構(gòu)。由吸附在幾納米的結(jié)構(gòu)化金屬表面之上或之內(nèi)的化合物(或離子)生成的拉曼散射光可比由位于溶液或氣相中的相同化合物生成的拉曼散射光大IO3至IO6倍。分析化合物的方法被稱為表面增強拉曼光譜學(SERS)。近些年，SERS已經(jīng)成為研究分子結(jié)構(gòu)和描述界面和薄膜系統(tǒng)的常規(guī)有效的手段，甚至可實現(xiàn)單分子探測。工程師、物理學家以及化學家繼續(xù)探索用于進行SERS的系統(tǒng)和方法的改進。


圖IA示出了根據(jù)本發(fā)明實施例所設(shè)計的第一表面增強拉曼光譜學(SERS)活性系統(tǒng)的等角圖。圖IB示出了根據(jù)本發(fā)明實施例所設(shè)計的第一 SERS活性系統(tǒng)的沿圖IA中所示的線A-A截取的截面圖。圖2A示出了根據(jù)本發(fā)明實施例對錐形納米線進行光泵浦。圖2B示出了根據(jù)本發(fā)明實施例所操控的圖2A中所示的錐形納米線的示例性電子能帶圖。圖3A-3C示出了根據(jù)本發(fā)明實施例對錐形納米線的發(fā)光體進行光泵浦的截面圖。圖3D示出了與根據(jù)本發(fā)明實施例所操控的錐形納米線的發(fā)光體相關(guān)的示例性電子能帶圖。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實施例光控的SERS活性系統(tǒng)的兩個錐形納米線的截面圖。圖5示出了示例拉曼光譜。圖6A示出了根據(jù)本發(fā)明實施例所設(shè)計的第二 SERS活性系統(tǒng)的等角圖。圖6B示出了根據(jù)本發(fā)明實施例所設(shè)計的第二 SERS系統(tǒng)的沿圖6A中所示的線B-B 截取的截面圖。圖7A-7B分別示出了根據(jù)本發(fā)明實施例所設(shè)計的示例性pn結(jié)和p-i_n結(jié)錐形納米線的截面圖。
圖8A-8B示出了根據(jù)本發(fā)明實施例所操控的pn結(jié)和p-i_n結(jié)錐形納米線的電子能帶圖。圖9A示出了根據(jù)本發(fā)明實施例所設(shè)計的包括量子阱的p-i-n結(jié)錐形納米線的截面圖。圖9B示出了根據(jù)本發(fā)明實施例所設(shè)計的包括發(fā)光粒子的p-i-n結(jié)錐形納米線的截面圖。圖10A-10B示出了根據(jù)本發(fā)明實施例所操控的并設(shè)計具有發(fā)光體的p-i-n結(jié)錐形納米線的電子能帶圖。圖11示出了根據(jù)本發(fā)明實施例可產(chǎn)生拉曼光譜的電控的SERS活性系統(tǒng)的兩個錐形納米線的截面圖。圖12A示出了根據(jù)本發(fā)明實施例所設(shè)計的示例性分析物傳感器的分解等角圖和圖示。圖12B示出了根據(jù)本發(fā)明實施例所設(shè)計的傳感器的沿圖12A中所示的線C-C截取的截面圖。圖13示出了根據(jù)本發(fā)明實施例所設(shè)計的第一分析物探測器的圖示。圖14示出了根據(jù)本發(fā)明實施例所設(shè)計的第二分析物探測器的圖示。
具體實施例方式本發(fā)明實施例涉及用于進行表面增強拉曼光譜學的基于納米線的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括布置在基板上的錐形納米線陣列。錐形納米線被設(shè)計具有增益，且SERS活性納米顆粒布置于錐形納米線的外表面上，在特定實施例中，SERS活性納米顆粒布置在錐形納米線的錐形末端或尖端附近。利用電子或光泵浦，納米線發(fā)射拉曼激發(fā)光。錐形納米線被設(shè)計為將利用納米線所發(fā)射的大部分拉曼激發(fā)光引向納米線的錐形末端，以與SERS活性納米顆粒相互作用，并增強布置于SERS活性納米顆粒上或其附近的分子的拉曼光譜。I.光控的SERS活性系統(tǒng)圖IA示出了根據(jù)本發(fā)明實施例所設(shè)計的SERS活性系統(tǒng)100的等角圖。系統(tǒng)100 包括基板102和布置在基板102的一個表面上的多個錐形納米線104。如圖IA的示例中所示出的，納米線104被設(shè)計為遠離基板102逐漸變細，且可自由分布。圖IB示出了根據(jù)本發(fā)明實施例沿圖IA中所示的線A-A截取的系統(tǒng)100的截面圖。 在圖IB的示例中，錐形納米線可具有對稱的倒錐形狀，例如錐形納米線106，或具有不對稱的倒錐形狀，例如錐形納米線108。系統(tǒng)100還包括布置于納米線的錐形末端或尖端附近的SERS活性納米顆粒。在圖IB中，納米線108的錐形末端在放大部分112中被放大，放大部分112顯示出布置于納米線108的尖端附近的外表面上的多個SERS活性納米顆粒110。 注意的是，本發(fā)明的實施例不限于納米顆粒僅布置在納米線的尖端上方。在其它實施例中， 納米顆?？蓭缀醪贾迷诩{米線的整個表面上?；?02可由介質(zhì)材料形成，包括玻璃、Si02、Al203或諸如金屬或半導體的其它任何適合的材料。錐形納米線104可由當對SERS活性系統(tǒng)100進行光泵浦時能夠使納米線作為增益介質(zhì)被操控的材料形成。例如，納米線可由直接或間接半導體材料形成。直接半導體的特征是價帶最大值和導帶最小值出現(xiàn)在近似相同的波數(shù)。因此，導帶中的電子與價帶中的未占電子態(tài)重組，釋放能量差，作為光子。相反，間接半導體的特征是價帶最大值和導帶最小值出現(xiàn)在不同的波數(shù)。通過首先經(jīng)過動量變化、之后經(jīng)過電子能量變化，導帶最小值中的電子與價帶最大值中的未占電子態(tài)重組。間接半導體和直接半導體可以為元素半導體和化合物半導體。間接元素半導體包括硅(Si)和鍺(Ge)，化合物半導體包括III-V物質(zhì)，其中羅馬數(shù)字III和V表示位于元素周期表的IIIa和Va族中的元素。化合物半導體可以由諸如鋁(Al)、鎵(Ga)和銦(In)的 IIIa族元素與諸如氮(N)、磷(P)、砷(As)和銻(Sb)的Va族元素結(jié)合而形成。根據(jù)III和 V元素的相對值可進一步對化合物半導體進行劃分。例如，二元半導體化合物包括GaAs、 InP, InAs和GaP ；三元化合物半導體包括GaAsyPhy，其中1從大于0到小于1之間變化；四元化合物半導體包括LxGahAsyPh，其中χ禾Π y各自從大于0到小于1之間變化。其它類型的適合化合物半導體包括II-VI物質(zhì)，其中II和VI表示位于周期表的nb和VIa族中的元素。例如，CdSe, ZnSe, ZnS和ZnO為二元II-VI化合物半導體的示例。錐形納米線可利用氣-液-固(VLQ化學合成工藝形成。該方法通常包含在基板 102的一個表面上沉積諸如金或鈦的催化劑材料的顆粒。將基板102放入室中并加熱至一般在大約250°C至大約1000°C之間變化的溫度。將包括用于形成納米線的元素或化合物的前驅(qū)氣體輸入室中。催化劑材料的顆粒使得前驅(qū)氣體至少部分分解為它們相應的元素，一些元素在催化劑材料的顆粒上或通過催化劑材料輸運并沉積在底層表面上。隨著該工藝繼續(xù)進行，納米線生長，同時催化劑顆粒維持在納米線的尖端或末端上。納米線也可通過物理氣相沉積、通過表面原子遷移形成，或可通過具有或沒有光刻定義的掩模圖案的反應蝕刻技術(shù)而被回蝕。納米線材料可選擇為當利用適當?shù)谋闷植ㄩLλ ρ的光對納米線進行光泵浦時可發(fā)射具有拉曼激發(fā)波長λ'、且增強位于SERS活性納米顆粒處或其附近的分子的拉曼光譜的拉曼激發(fā)光。圖2Α示出了根據(jù)本發(fā)明實施例對錐形納米線202進行光泵浦。在圖2Α中， 利用具有泵浦波長λ ρ和對應的能量&的光照射錐形納米線202

權(quán)利要求
1.一種用于進行表面增強拉曼光譜學的系統(tǒng)(100)，包括具有表面的基板(102)；布置在所述表面上的多個錐形納米線(104)，每一個納米線具有被引導離開所述表面的錐形末端；以及布置在每一個納米線上的多個納米顆粒(110)，其中當利用泵浦波長的光對每一個納米線進行照射時，從所述納米線的所述錐形末端發(fā)射拉曼激發(fā)光，以與所述納米顆粒相互作用，并從靠近所述納米顆粒的分子產(chǎn)生增強拉曼散射光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述納米線進一步包括當利用所述泵浦波長的光照射時發(fā)射拉曼激發(fā)光的一個以上的發(fā)光體(302、306、310)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述發(fā)光體進一步包括當利用所述泵浦波長的光照射時發(fā)射所述拉曼激發(fā)光的量子阱、量子點、原子和分子中的至少一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述納米線被設(shè)計為使得所述拉曼激發(fā)光朝著所述納米線的所述錐形末端反射。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述納米線進一步包括半導體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述納米顆粒進一步包括金、銀、銅或另外適合的金屬導體中的至少一種。
7.一種用于進行表面增強拉曼光譜學的系統(tǒng)(600)，包括布置在基板(60 上的第一電極層(604)；布置在所述第一電極層上的介質(zhì)層(606)；布置在所述介質(zhì)層上的第二電極層(608)；以及布置在所述第一電極層上且延伸穿過所述介質(zhì)層和所述第二電極層的多個錐形納米線(610)，其中對所述第一電極層和所述第二電極層施加適當?shù)碾妷菏沟妹恳粋€納米線從所述納米線的所述錐形末端發(fā)射拉曼激發(fā)光，以與所述納米顆粒相互作用，并從靠近所述納米顆粒的分子產(chǎn)生增強拉曼散射光。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，進一步包括布置在每一個納米線的所述錐形末端附近的多個納米顆粒(616)，所述納米顆粒由金、銀、銅或產(chǎn)生所述增強拉曼散射光的另外適合的金屬導體中的至少一種形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，進一步包括所述第二電極層的一部分(622)，用于覆蓋每一個納米線的所述錐形末端的至少一部分。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述納米線進一步包括當利用所述泵浦波長的光照射時發(fā)射所述拉曼激發(fā)光的η型半導體層(704)和ρ型半導體層(706)。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述納米線進一步包括夾在當利用所述泵浦波長的光照射時發(fā)射所述拉曼激發(fā)光的η型半導體層(71 和ρ型半導體層(714)之間的本征半導體層(710)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述納米線進一步包括嵌入所述本征半導體層中、當利用所述泵浦波長的光照射時發(fā)射所述拉曼激發(fā)光的一個以上的發(fā)光體(910、920)。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述第一電極層和所述第二電極每一個均進一步包括金、銀、銅或另外適合的金屬導體。
14.一種分析物傳感器(1200)，包括根據(jù)上述權(quán)利要求中的任意一項所設(shè)計的用于進行表面增強拉曼光譜學的系統(tǒng)； 布置為與所述系統(tǒng)相鄰且設(shè)計為部分反射從引入到所述系統(tǒng)的分析物發(fā)射的拉曼散射光的第一反射器(1206)；布置為相反于所述第一反射器與所述系統(tǒng)相鄰且設(shè)計為反射所述拉曼散射光的第二反射器(1208)；以及設(shè)置為探測透過所述第一反射器的所述拉曼散射光的光電探測器(1210)，其中所述拉曼散射光對應于與所述分析物相關(guān)的拉曼光譜。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的分析物傳感器，進一步包括機械連接至所述第一反射器的第一調(diào)節(jié)器(1214)和機械連接至所述第二反射器的第二調(diào)節(jié)器(1216)，其中所述第一調(diào)節(jié)器能用于控制所述第一反射器的反射率，所述第二調(diào)節(jié)器能用于控制所述第二反射器的反射率。
全文摘要
本發(fā)明實施例涉及用于進行表面增強拉曼光譜學的基于納米線的系統(tǒng)。在一個實施例中，該系統(tǒng)包括具有表面的基板(102)和布置在該表面上的多個錐形納米線(104)。每一個納米線具有被引導離開該表面的錐形末端。該系統(tǒng)還包括布置在每一個納米線的錐形末端附近的多個納米顆粒(110)。當利用泵浦波長的光對每一個納米線進行照射時，從納米線的錐形末端發(fā)射拉曼激發(fā)光，以與納米顆粒相互作用，并從靠近納米顆粒的分子產(chǎn)生增強拉曼散射光。
文檔編號G01J3/44GK102472665SQ200980160699
公開日2012年5月23日 申請日期2009年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月30日
發(fā)明者小林信彥, 戴維·A·法塔勒, 李志勇, 李晶晶, 王世元, 郭輝培 申請人:惠普開發(fā)有限公司