介質(zhì)微螺旋錐和金屬糧倉(cāng)形納米錐復(fù)合探針的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)和光電技術(shù)領(lǐng)域，涉及到納米光電器件、表面等離激元激發(fā)和納 米聚焦，特別是一種高空間分辨率、高效激發(fā)表面等離激元并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)的復(fù)合結(jié)構(gòu)光 電探針。
【背景技術(shù)】
[0002] 納米聚焦是將光能量集中到納米量級(jí)區(qū)域，提高納米聚焦的效率和強(qiáng)度對(duì)于納米 傳感、納米光刻和納米操縱有著十分重要的意義。而通常實(shí)現(xiàn)納米聚焦的方法是入射光直 接照射納米金屬圓錐結(jié)構(gòu)，一方面這種方式往往受到較小激勵(lì)面的影響，不能有效形成高 局域強(qiáng)場(chǎng)；另一方面產(chǎn)生的場(chǎng)不具有旋轉(zhuǎn)特性，方向單一受限。而當(dāng)前已有將螺旋和圓錐結(jié) 構(gòu)進(jìn)行復(fù)合的納米金屬結(jié)構(gòu)，能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)強(qiáng)場(chǎng)，但是納米量級(jí)的金屬螺旋錐受加工方面的 限制，實(shí)際操作中較難實(shí)現(xiàn)，并且納米金屬圓錐只在底部邊緣激發(fā)表面等離激元，激發(fā)效率 不夠尚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是為提高納米聚焦強(qiáng)度并產(chǎn)生具有旋轉(zhuǎn)特性的強(qiáng)場(chǎng)，提供一種高空 間分辨率、高效激發(fā)表面等離激元的介質(zhì)微螺旋錐和金屬糧倉(cāng)形納米錐復(fù)合結(jié)構(gòu)的光電探 針。
[0004] 本發(fā)明技術(shù)方案
[0005] 本發(fā)明提供的高空間分辨率、高效激發(fā)表面等離激元并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)的介質(zhì)微螺 旋錐和金屬糧倉(cāng)形納米錐復(fù)合探針，由介質(zhì)微螺旋錐和金屬糧倉(cāng)形納米錐結(jié)構(gòu)復(fù)合構(gòu)成， 既結(jié)合了微介質(zhì)螺旋錐的聚焦和產(chǎn)生螺旋相位的特性，又將此特性用來高效激發(fā)表面等離 激元并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)，是一種新型的介質(zhì)-金屬?gòu)?fù)合探針；首先介質(zhì)微螺旋錐將入射光進(jìn) 行聚焦并使其攜帶軌道角動(dòng)量，然后將光場(chǎng)傳遞給位于介質(zhì)微螺旋錐焦點(diǎn)位置Z f處的金屬 糧倉(cāng)形納米錐，在金屬邊緣高效激發(fā)表面等離激元，表面等離激元沿著金屬糧倉(cāng)形納米錐 表面向頂端傳播，并不斷的壓縮和聚焦，從而在探針頂端形成納米聚焦和具有螺旋相位的 高局域強(qiáng)場(chǎng)。不同偏振態(tài)的入射光得到不同強(qiáng)度的聚焦光場(chǎng)，線偏振光入射能夠得到總強(qiáng) 度達(dá)四個(gè)數(shù)量級(jí)的聚焦光場(chǎng)，而徑向偏振光入射得到總強(qiáng)度達(dá)三個(gè)數(shù)量級(jí)的聚焦光場(chǎng)。
[0006] 所述的介質(zhì)微螺旋錐和金屬糧倉(cāng)形納米錐復(fù)合探針，結(jié)合螺旋結(jié)構(gòu)和金屬糧倉(cāng)形 納米錐的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)以及介質(zhì)微結(jié)構(gòu)的加工優(yōu)勢(shì)。
[0007] 所述的介質(zhì)微螺旋錐和金屬糧倉(cāng)形納米錐復(fù)合探針中介質(zhì)微螺旋錐的結(jié)構(gòu)由柱 坐標(biāo)系下的結(jié)構(gòu)方程Ii1 ( P，Θ )決定：
[0008]
_______________________議_(||_
[0009] 所述的金屬糧倉(cāng)形納米錐結(jié)構(gòu)由柱坐標(biāo)系下的結(jié)構(gòu)方程h2 ( P，Θ )決定：
[0010] ：
____________圍圍圍圍圍圍圍圍圍議議||_
[0011] 其中：P和Θ是柱狀坐標(biāo)系下的半徑和角度，h。，1\和h m是預(yù)設(shè)的尚度參數(shù)，R是 介質(zhì)微螺旋錐底面半徑，r是金屬納米錐的底面半徑。h。和R的大小在微米量級(jí)，h n、r和h" 的大小在納米量級(jí)。
[0012] 所述的入射光為平行入射的線偏振光。
[0013] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果：
[0014] 本發(fā)明提供的介質(zhì)微螺旋錐和金屬糧倉(cāng)形納米錐復(fù)合探針，既結(jié)合了微介質(zhì)螺旋 錐的聚焦和產(chǎn)生螺旋相位的特性，又將此特性用來高效激發(fā)表面等離激元并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電 場(chǎng)，是一種新型的介質(zhì)-金屬?gòu)?fù)合探針。當(dāng)入射光垂直入射探針底面時(shí)，首先介質(zhì)微螺旋錐 將入射光進(jìn)行聚焦并使其攜帶道角動(dòng)量，然后將光場(chǎng)傳遞給位于介質(zhì)微螺旋錐焦點(diǎn)Z f處的 金屬糧倉(cāng)形納米錐，在金屬邊緣高效激發(fā)表面等離激元，表面等離激元沿著金屬糧倉(cāng)形納 米錐表面向頂端傳播，并不斷壓縮和聚焦，從而在探針頂端形成納米聚焦和具有螺旋相位 的高局域強(qiáng)場(chǎng)。該聚焦電場(chǎng)強(qiáng)度不僅可以增強(qiáng)到四個(gè)數(shù)量級(jí)，有利于提高納米探測(cè)和成像 的靈敏度，而且具有旋轉(zhuǎn)特性，有利于實(shí)現(xiàn)較大范圍的納米粒子的操縱和篩選。
[0015] 本發(fā)明可用作掃描近場(chǎng)顯微鏡、原子力顯微鏡等掃描探針顯微鏡以及針尖增強(qiáng)拉 曼光譜儀的高分辨率和高靈敏度探針，并且制作加工較易實(shí)現(xiàn)。
[0016] 在納米傳感、納米光刻和納米操縱等各個(gè)領(lǐng)域有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說明】
[0017] 圖1是介質(zhì)微螺旋錐和金屬糧倉(cāng)形納米錐復(fù)合構(gòu)成的高空間分辨率探針的三視 圖。其中：（a)是復(fù)合探針的主剖視圖；(b)是復(fù)合探針的右剖視圖；（c)是復(fù)合探針的俯視 圖。
[0018] 圖2是介質(zhì)微螺旋錐產(chǎn)生的納米聚焦。其中：(a)、（b)和（c)分別是電場(chǎng)E在xz、 yz和xy平面的強(qiáng)度分布圖；（d)是焦點(diǎn)附近Zf= 4. 36 μ m處所在xy平面上S xy的分布和 方向分布圖。
[0019] 圖3是介質(zhì)微螺旋錐和金屬糧倉(cāng)形納米錐復(fù)合探針產(chǎn)生的納米聚焦。其中：(a)和 (b)分別是電場(chǎng)E在XZ和yz平面的強(qiáng)度分布圖；（c)是復(fù)合探針焦點(diǎn)附近所在的 XZ平面 上IexΓ+|εζΓ的強(qiáng)度分布和方向分布圖；（d)是復(fù)合探針焦點(diǎn)處所在的 xy平面上Ie」2= Ex 12+1 Ey 12的強(qiáng)度分布和方向分布圖。
[0020] 圖中：1.介質(zhì)微螺旋錐2.金屬糧倉(cāng)形納米錐。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 如圖1所示，本發(fā)明提供的高空間分辨率的近場(chǎng)復(fù)合探針，由介質(zhì)微螺旋錐結(jié) 構(gòu)和金屬糧倉(cāng)形納米錐結(jié)構(gòu)復(fù)合構(gòu)成，其中，介質(zhì)微螺旋錐在柱坐標(biāo)系下的結(jié)構(gòu)方程 hjp，Θ )為：
[0022]
⑴
[0023] 金屬糧倉(cāng)形納米錐在柱坐標(biāo)系下的結(jié)構(gòu)方程h2 ( P，θ )為：
[0024]
⑵
[0025] 其中：P和Θ是柱狀坐標(biāo)系下的半徑和角度，IvI^Phni是預(yù)設(shè)的高度參數(shù)，R是 介質(zhì)微螺旋錐底面半徑，r是金屬納米錐的底面半徑。h。和R的大小在微米量級(jí)，h n、r和h" 的大小在納米量級(jí)。
[0026] 本發(fā)明中介質(zhì)微螺旋錐1的制作可采用光刻工藝和干法刻蝕技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。其具體 步驟如下：
[0027] (1)利用激光直寫/電子束直寫方法在光敏介質(zhì)上曝光并通過顯影制作介質(zhì)微螺 旋錐器件。
[0028] (2)利用反應(yīng)離子刻蝕/電感耦合等離子體刻蝕技術(shù)將介質(zhì)微螺旋錐器件轉(zhuǎn)移到 光學(xué)玻璃上。
[0029] 本發(fā)明中金屬糧倉(cāng)形納米錐2的制作可采用對(duì)向靶直流磁控濺射和聚焦離子束 刻蝕技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。其具體步驟如下：
[0030] (1)對(duì)向靶直流磁控濺射方法在半導(dǎo)體或玻璃襯底上濺射金或銀等貴金屬納米 膜；
[0031] (2)利用聚焦離子束刻蝕技術(shù)刻蝕金屬糧倉(cāng)形納米錐結(jié)構(gòu)。
[0032] 具體應(yīng)用實(shí)例1
[0033] 介質(zhì)微螺旋錐和金屬糧倉(cāng)形納米錐構(gòu)成的高空間分辨率復(fù)合探針，其入射光以線 偏振光為例，總初始入射強(qiáng)度記為la. u.。
[0034] 1、介質(zhì)微螺旋錐1的具體參數(shù)以如下為例：
[0035] 材料為玻璃，折射率η = 1. 5,入射波長(zhǎng)
|底面半 徑R = 2 μ m，介質(zhì)焦點(diǎn)位置Zf= 4. 36 μ m。
[0036] 2、金屬糧倉(cāng)形納米錐2的具體參數(shù)以如下為例：
[0037] 材料為銀，入射波長(zhǎng)為550nm時(shí)，相對(duì)介電常數(shù)ε n= -11. 2763-0. 0520i，選取hn =I. 52 μ m，hm= 0· 779 μ m，r = 0· 38 μ m。
[0038] 圖2是線偏振光入射介質(zhì)微螺旋錐時(shí)產(chǎn)生的納米聚焦，電場(chǎng)最大強(qiáng)度|e|2為 12. 2512a. u.，將入射光強(qiáng)提高了 12倍。圖2中（a)、（b)和（c)分別是電場(chǎng)E在XZ、yz和 xy平面的強(qiáng)度分布圖；（d)是介質(zhì)微螺旋錐焦點(diǎn)Zf = 4. 36 μ m附近所在xy平面上S xy的分 布和方向分布圖，由如圖中箭頭所示，能量呈旋轉(zhuǎn)分布。
[0039] 圖3是介質(zhì)微螺旋錐和金屬糧倉(cāng)形納米錐復(fù)合探針產(chǎn)生的納米聚焦，其電場(chǎng)的最 大強(qiáng)度||||為10670a.u，強(qiáng)度增加到四個(gè)數(shù)量級(jí)。圖3中（a)和（b)分別是電場(chǎng)E在xz和 yz平面的強(qiáng)度分布圖，其在探針頂端形成強(qiáng)納米聚焦；(c)是在探針焦點(diǎn)附近所在XZ平面 上I Ex 12+1 Ez 12的強(qiáng)度分布和方向分布圖，如圖中箭頭所示，方向向外且呈非對(duì)稱分布；（d) 是在探針焦點(diǎn)處所在xy平面上|E」 2= |Ex|2+|Ey|2的強(qiáng)度分布和方向分布圖，如圖中箭頭 所示，圍繞焦點(diǎn)處向內(nèi)旋轉(zhuǎn)分布。
[0040] 由介質(zhì)微螺旋錐和金屬糧倉(cāng)形納米錐復(fù)合探針激發(fā)的表面等離激元，沿著金屬糧 倉(cāng)形納米錐表面高效向頂端傳播，并不斷壓縮和聚焦，在探針頂端形成納米聚焦的高局域 旋轉(zhuǎn)強(qiáng)場(chǎng)。和與光直接入射的金屬納米圓錐相比，由于微介質(zhì)螺旋錐的聚焦及糧倉(cāng)形結(jié)構(gòu) 增加的邊緣奇點(diǎn)，強(qiáng)度不僅得到高度增強(qiáng)，而且產(chǎn)生的場(chǎng)具有旋轉(zhuǎn)特性；和與光直接入射的 金屬納米螺旋錐相比，電場(chǎng)不僅具有旋轉(zhuǎn)特性而且強(qiáng)度提高了一個(gè)量級(jí)，是一種新型的介 質(zhì)-金屬?gòu)?fù)合探針，另外介質(zhì)微螺旋錐要比納米量級(jí)的金屬螺旋錐易于加工和制作。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高空間分辨率、高效激發(fā)表面等離激元并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)的介質(zhì)微螺旋錐和金屬 糧倉(cāng)形納米錐復(fù)合探針，其特征在于該復(fù)合探針由介質(zhì)微螺旋錐和金屬糧倉(cāng)形納米錐結(jié)構(gòu) 復(fù)合構(gòu)成，既結(jié)合了微介質(zhì)螺旋錐的聚焦和產(chǎn)生螺旋相位的特性，又將此特性用來高效激 發(fā)表面等離激元并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)，是一種新型的介質(zhì)-金屬?gòu)?fù)合探針；首先介質(zhì)微螺旋錐 將入射光進(jìn)行聚焦并使其攜帶軌道角動(dòng)量，然后將光場(chǎng)傳遞給位于介質(zhì)微螺旋錐焦點(diǎn)位置 Zf處的金屬糧倉(cāng)形納米錐，在金屬邊緣高效激發(fā)表面等離激元，表面等離激元沿著金屬糧 倉(cāng)形納米錐表面向頂端傳播，并不斷的壓縮和聚焦，從而在探針頂端形成納米聚焦和具有 螺旋相位的高局域強(qiáng)場(chǎng)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的介質(zhì)微螺旋錐和金屬糧倉(cāng)形納米錐復(fù)合探針，其特征在于不 同偏振態(tài)的入射光得到不同強(qiáng)度的聚焦光場(chǎng)，線偏振光入射能夠得到總強(qiáng)度達(dá)四個(gè)數(shù)量級(jí) 的聚焦光場(chǎng)，而徑向偏振光入射得到總強(qiáng)度達(dá)三個(gè)數(shù)量級(jí)的聚焦光場(chǎng)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的介質(zhì)微螺旋錐和金屬糧倉(cāng)形納米錐復(fù)合探針，其特征在 于探針中介質(zhì)微螺旋錐的結(jié)構(gòu)由柱坐標(biāo)系下的結(jié)構(gòu)方程hi(P，0)決定：其中：P和Q是柱狀坐標(biāo)系下的半徑和角度，Ivhr^Phm是預(yù)設(shè)的尚度參數(shù)，R是介質(zhì) 微螺旋錐底面半徑，r是金屬糧倉(cāng)形納米錐的底面半徑；h。和R的大小在微米量級(jí)，hn、r和 hm的大小在納米量級(jí)。
【專利摘要】一種高空間分辨率、高效激發(fā)表面等離激元并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)的介質(zhì)微螺旋錐和金屬糧倉(cāng)形納米錐復(fù)合探針。該探針由介質(zhì)微螺旋錐和金屬糧倉(cāng)形納米錐結(jié)構(gòu)復(fù)合構(gòu)成，其中金屬糧倉(cāng)形納米錐是金屬納米圓柱和金屬納米圓錐的組合。當(dāng)入射光垂直入射該復(fù)合結(jié)構(gòu)探針底面時(shí)，光首先經(jīng)由介質(zhì)微螺旋錐，對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行聚焦并使其攜帶軌道角動(dòng)量；然后在介質(zhì)微螺旋錐焦點(diǎn)？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？處沿著金屬糧倉(cāng)形納米錐表面向頂端傳播，并不斷壓縮和聚焦，一方面在金屬表面高效激發(fā)表面等離激元，產(chǎn)生可達(dá)四個(gè)數(shù)量級(jí)的納米聚焦的高局域強(qiáng)場(chǎng)；另一方面在頂端形成的強(qiáng)場(chǎng)具有旋轉(zhuǎn)特性。本發(fā)明在納米傳感、納米光刻和納米操縱等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景。
【IPC分類】G01Q70/12, G01N21/65
【公開號(hào)】CN105137127
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510624726
【發(fā)明人】匡登峰, 董立群, 曹燕燕
【申請(qǐng)人】南開大學(xué)
【公開日】2015年12月9日
【申請(qǐng)日】2015年9月28日