金屬納米光學(xué)天線結(jié)構(gòu)增強(qiáng)拉曼及近場超分辨光刻研究.pdf

1、光學(xué)天線因其新穎的物理現(xiàn)象和對光場的收集、發(fā)射及調(diào)控能力受到研究人員的廣泛關(guān)注，在微納光場調(diào)控、增強(qiáng)拉曼散射和增強(qiáng)熒光、近場成像及近場光刻等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。金屬納米顆粒和納米結(jié)構(gòu)的局域表面等離子體(LSPs)效應(yīng)是決定光學(xué)天線性質(zhì)的基礎(chǔ)，具有高度場局域和場增強(qiáng)特性。本文基于光學(xué)天線可調(diào)制分子發(fā)光性能的特性，設(shè)計(jì)了兩種耦合型天線結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用于表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)實(shí)驗(yàn)。研究了兩種耦合結(jié)構(gòu)的近遠(yuǎn)場光學(xué)性質(zhì)及其與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。另

2、外，根據(jù)光學(xué)天線的近場局域功能，使用蝴蝶結(jié)形光學(xué)天線進(jìn)行近場超分辨光刻研究。基于該天線的近場光學(xué)性質(zhì)，引入干涉式空間位相成像(ISPI)技術(shù)對掩膜板和光刻膠基底進(jìn)行測距、調(diào)平，最終實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并行超分辨光刻。本論文工作對于發(fā)展制備簡單、靈敏度高的SERS基底，及分辨率高、產(chǎn)率大、成本低廉、可靠性好的微納制造技術(shù)均有重要意義。
　　具體研究內(nèi)容如下:
　　1.設(shè)計(jì)并制備了具有納米級間隙的銀納米球帽-納米小孔耦合型光學(xué)天線結(jié)構(gòu)并應(yīng)

3、用于SERS實(shí)驗(yàn)。該結(jié)構(gòu)制備方法簡單，成本低廉。將耦合結(jié)構(gòu)與非耦合的銀納米球帽單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比研究，結(jié)合數(shù)值模擬手段分析知銀納米球帽和納米小孔邊緣的間隙中存在LSPs耦合效應(yīng)，使能量高度局域在間隙區(qū)域內(nèi)，增強(qiáng)電場強(qiáng)度，從而產(chǎn)生更多“熱點(diǎn)”和更高的SERS增強(qiáng)因子，導(dǎo)致SERS信號大幅增強(qiáng)。研究還發(fā)現(xiàn)耦合效應(yīng)強(qiáng)弱與耦合距離密切相關(guān)，通過改變蒸鍍銀膜厚度可調(diào)節(jié)該結(jié)構(gòu)的耦合間隙大小，從而能改變SERS信號的強(qiáng)度，這為人為調(diào)控SERS基底的工作

4、性能提供了有效途徑。
　　2.設(shè)計(jì)并制備了準(zhǔn)三維的銀納米立方體-銀納米小孔陣列耦合結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用于SERS實(shí)驗(yàn)。銀納米立方體通過化學(xué)合成法制備。銀納米小孔陣列結(jié)構(gòu)則通過在具有周期孔洞結(jié)構(gòu)的陽極氧化鋁(AAO)模板上蒸鍍銀獲得。使用納米級厚度的PMMA薄膜作為間隔層，將銀立方體和銀小孔陣列結(jié)構(gòu)縱向疊加在一起獲得耦合結(jié)構(gòu)。SERS實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果顯示，該結(jié)構(gòu)可將銀立方體和銀小孔陣列結(jié)構(gòu)的LSPs有效耦合并局域于PMMA間隔層中，影響摻

5、雜在PMMA中的拉曼分子激發(fā)和輻射過程，從而可獲得1.1×108的SERS增強(qiáng)因子。一系列單變量對比實(shí)驗(yàn)證明耦合效應(yīng)對間隔層厚度、銀膜厚度、小孔孔徑及孔間距等特征結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感，為該結(jié)構(gòu)今后的實(shí)際應(yīng)用提供了多樣化的調(diào)控手段。
　　3.研究基于蝴蝶結(jié)形光學(xué)天線的近場掃描超分辨光刻技術(shù)。根據(jù)蝴蝶結(jié)形光學(xué)天線的近場局域特性和光斑發(fā)散特性，設(shè)計(jì)掩膜板結(jié)構(gòu)、調(diào)平準(zhǔn)直體系和光刻工藝，建立了一套基于該天線的近場光刻系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)和理論分析，系統(tǒng)地

6、研究了光刻膠特性、光源、掃描速度、潤滑劑等各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)條件對光刻效果的影響。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化，最終獲得可見光曝光條件下線寬分別為78 nm和106 nm的一維和二維任意圖形超分辨近場掃描光刻結(jié)果。
　　4.為提高近場光刻的生產(chǎn)效率，進(jìn)行大規(guī)模并行近場光刻研究。在光刻系統(tǒng)中引入ISPI技術(shù)，用于對掩膜板與光刻膠基底進(jìn)行精密測距和調(diào)平。通過ISPI調(diào)平可獲得0.02 mrad的掩膜板-基底空間平行度。建立了反饋控制機(jī)制，有效控制系統(tǒng)噪聲，

7、提高光刻膠基底移動過程中的系統(tǒng)穩(wěn)定性。利用ISPI技術(shù)精確控制光學(xué)天線的工作距離，可進(jìn)一步提高光刻分辨率，獲得最小19nm線寬的光刻圖形。使用改良的實(shí)驗(yàn)裝置及掩膜板，實(shí)現(xiàn)了5×5（25個）和32×32（1024個）蝴蝶結(jié)形光學(xué)天線陣列的大規(guī)模并行近場二維掃描光刻。所獲得的圖形形貌均一，表面質(zhì)量好，可靠性高。進(jìn)一步提高掃描速度，可將產(chǎn)率相對于傳統(tǒng)近場掃描光刻技術(shù)提高104倍以上。
　　本論文的創(chuàng)新點(diǎn)在于:
　　1.基于耦合型光

8、學(xué)天線結(jié)構(gòu)增強(qiáng)局域場的光學(xué)效應(yīng)，設(shè)計(jì)制備了一種新穎的銀納米球帽-納米小孔耦合天線結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用于SERS實(shí)驗(yàn)。該結(jié)構(gòu)的制備方法簡單易行，可通過控制蒸鍍銀膜厚度的方法調(diào)節(jié)耦合間隙大小，從而對耦合效應(yīng)和SERS信號強(qiáng)度起調(diào)制作用。
　　2.提出一種新型的準(zhǔn)三維耦合天線結(jié)構(gòu)作為SERS基底。使用納米級PMMA薄膜作為間隔層，將銀納米立方體和銀納米小孔陣列結(jié)構(gòu)組裝到一起。利用銀小孔陣列結(jié)構(gòu)增強(qiáng)對入射光的吸收，利用LSPs耦合效應(yīng)將能量局域在

9、耦合區(qū)域中，增強(qiáng)該區(qū)域內(nèi)拉曼分子的激發(fā)和輻射效率，通過銀立方體增強(qiáng)輻射，將近場拉曼信號發(fā)射至遠(yuǎn)場，便于被探測器收集。該耦合結(jié)構(gòu)相比非耦合結(jié)構(gòu)具有更好的拉曼增強(qiáng)效應(yīng)，可獲得1.1×108的SERS增強(qiáng)因子。
　　3.首次將ISPI技術(shù)引入基于蝴蝶結(jié)形光學(xué)天線的近場掃描光刻體系，對掩膜板與光刻膠基底進(jìn)行納米級精密測距和調(diào)平，獲得0.02 mrad以上的掩膜板-基底平行度。系統(tǒng)地研究了近場掃描光刻過程中各技術(shù)參數(shù)對光刻結(jié)果的影響，使用I