基于紫外全息光刻技術的周期性表面等離激元結構的制備、性質和應用研究.pdf

1、表面等離激元結構與入射光波發(fā)生相互作用，即發(fā)生表面等離激元共振(surface plasmon resonance，SPR)作用時，伴隨著局域電磁場的增強和對光在低于衍射極限尺度上的束縛。因此被廣泛的用于表面增強光譜、生物化學傳感、太陽能光伏器件、光催化等領域。其中表面增強的拉曼光譜（surface-enhancedRaman spectroscopy，SERS）和生物化學傳感器(bio-chemical sensor)是SPR現(xiàn)象的兩

2、個最主要的應用途徑。由于表面等離激元共振現(xiàn)象具有極強的結構相關性，所以根據(jù)不同的應用途徑來設計最優(yōu)化的表面等離激元結構已經(jīng)成為了一個重要的研究方向。這其中有三個核心問題:一是明確SPR的性質和相應的應用途徑之間的關系;二是實現(xiàn)表面等離激元結構的新貌、材料對SPR性質的調控;三是發(fā)展合適地表面等離激元結構的制備方法。
　　在SERS技術發(fā)展的這40年來，增強因子達到了十余個數(shù)量級，所具有的單分子檢測水平甚至可與單分子熒光光譜技術相媲

3、美，而且被廣泛的用于化學、生物、食品安全等的檢測。但是如何便捷地獲得靈敏度和均勻性兼?zhèn)涞腟ERS基底，則是SERS技術所面臨的挑戰(zhàn)。同時，對于SPR傳感器除了不斷的追求高的分辨率(figure of merit，F(xiàn)OM)值以外，傳感基底的發(fā)展方向則需要滿足儀器小型化和便攜式的要求。
　　本論文工作從方法學角度出發(fā)，建立了基于紫外全息光刻技術制備、可控調節(jié)周期性表面等離激元結構的新方法，實現(xiàn)了高效地調節(jié)SPR性質的平臺，為不同的應用

4、途徑提供了寬廣的選擇范圍。在此基礎上，設計了分別適合于SERS和SPR傳感這兩個應用途徑的周期性表面等離激元結構。主要的研究內容和結論如下:
　　1.紫外全息光刻系統(tǒng)的搭建和周期性表面等離激元結構的可控制備
　　基于所搭建的紫外全息光刻系統(tǒng)和摸索而得的正、負兩套光刻膠工藝，制備了光柵、六角排布的陣列和正交排布的陣列等十幾種周期性結構。這些結構不但具有大面積均勻的特點，而且得益于特殊設計和制備的全息光學元件(holograph

5、ic optical element,HOE)，使得結構的制備可以一步完成，而且對于結構周期的調控可以通過更換不同的HOE來方便的實現(xiàn)。再結合曝光劑量的調節(jié)，進一步實現(xiàn)了對結構形貌的可控調節(jié)。
　　2.可控調節(jié)SPR光學性質平臺的建立
　　以表面等離激元雜化理論為背景，以基于紫外全息光刻方法所制備的各種周期性表面等離激元結構為基礎，以自行搭建的角分辨光譜系統(tǒng)為表征手段，充分的探究了SPR的性質和周期性表面等離激元結構的相關性

6、。在相同周期卻不同形貌的表面等離激元結構上，實現(xiàn)了從寬的超輻射型(superradiation)的光譜線形到非對稱的Fano型光譜線形，再到超窄(super-narrow)光譜線形的可控調節(jié)。此外，激發(fā)-收集角θ、激發(fā)光偏振、基底的結構取向等參數(shù)也可以對周期性表面等離激元結構的光學性質進行有效的調控。綜上，一個有效調節(jié)SPR性質的寬廣的平臺將為不同的應用途徑提供明確的選擇。
　　3.基于“空腔-表面等離激元”共振的兼?zhèn)潇`敏度和均勻

7、性的SERS基底
　　單純擁有高靈敏度或是高均勻性的SERS基底已經(jīng)不能滿足當今SERS技術發(fā)展的要求。兼?zhèn)涓哽`敏度和高均勻性的SERS基底本質上是得到均勻地電磁場增強結構。這里我們拋棄了傳統(tǒng)上一味追求5nm以下的間隙來獲得“hotspots”的方法來獲得強的電磁場。而是通過結構形貌和尺寸上的設計，巧妙地引入空腔模式與表面等離激元模式的共振，從而實現(xiàn)在“hot-volums”內的高達107的電磁場增強。
　　4.發(fā)展了擁有超

8、窄半峰寬、超高FOM值的SPR傳感基底
　　由于半峰寬越小，SPR傳感器所能分辯的待分析物的最小變化量越高，從而能獲得更高的FOM值。通過結構調控，實現(xiàn)表面等離激元模式的模式的逐步分離，得到了單以暗模式所對應的小于3.5nm的半峰寬。在體相折射率傳感的實驗中，獲得了高達133的FOM值。在PSA和anti-PSA的抗原-抗體生物特異性檢測實驗中，也實現(xiàn)了低至0.2ng/mL的檢測極限。最重要的是該表面等離激元結構的尺寸可以根據(jù)需要