专利名称：自收集sers基板的制作方法
技术领域：
本发明实施例总体涉及用于施行表面增强拉曼光谱术(SERS)的系统。
背景技术：
拉曼光谱术是一种用于凝聚体物理学和化学以研究分子系统中的振动模式、旋转模式和其它低频模式的光谱技术。在拉曼光谱实验中，特定波长范围的近似单色光束穿过分子样本，从而发出散射光的光谱。从分子发出的波长的光谱称作“拉曼光谱”，并且所发出的光称作“拉曼散射光”。拉曼光谱能够显示出分子的电子能级、振动能级和旋转能级。不同的分子产生不同的拉曼光谱，这些拉曼光谱可以像指纹一样用于识别分子，甚至确定分子的结构。拉曼光谱术用于研究当光子与分子相互作用从而导致散射的光子的能量转移时分子能态之间的跃迁。分子的拉曼散射可看作两个过程。位于特定能态的分子首先被入射光子激发到另一个(虚或实)能态，其通常处于光频域内。然后被激发的分子作为受环境影响的偶极子辐射源辐射，与激发光子相比，偶极子辐射源以可能相对较低的频率(例如斯托克斯散射)或相对较高的频率(即反斯托克斯散射)位于该环境中。不同分子或物质的拉曼光谱具有可用于识别物种的特征峰。同样，拉曼光谱术是一种用于各种化学或生物检测应用的有用的技术。然而，固有的拉曼散射过程效率非常低，而粗糙的金属表面、各种类型的纳米天线以及波导结构已经用于增强拉曼散射过程(即上述的激发和/或辐射过程)。由吸附在几纳米的结构化金属表面上或表面内的化合物(或离子)产生的拉曼散射光可以比位于溶液或气相中的相同化合物所产生的拉曼散射光大IO3-IO14倍。这种对化合物进行分析的过程称作表面增强拉曼光谱术(“SERS”)。近年来，SERS已经显现为用于研究分子结构以及描绘界面和薄膜系统的一种常规有效的工具，甚至能够单分子探测。工程师、物理学家和化学家继续探索对用于施行SERS的系统和方法的改进。多数SERS系统仅能够在特定的热斑处增强电磁场。虽然非常理想的是，在很多情况下，例如通过简单的吸附，被分析物能够均勻地散布在SERS基板上。然而，只有很小部分的被分析物实际位于热斑处。


通过参考以下的详细描述和附图，本公开内容的实施例的特征和优点会变得明显，附图中相同的附图标记对应于相似的(尽管可能不相同)的组件。为简洁起见，具有先前描述的功能的附图标记或特征可能结合或者也可能不结合有它们出现的其它附图来描述。
图1是根据本发明实施例的结合用于增大被分析物在热斑处的浓度的方法示出示例SERS结构的截面图。图2是根据本发明实施例的图1的实施例的透视图。图3是描述根据本发明实施例的增大被分析物在热斑处的浓度的方法的流程图。图4是本公开内容的光放大装置的另一实施例的半示意透视图。图5是本公开内容的光放大装置的又一实施例的半示意透视图。图6A至图6B各自图示根据本发明实施例的传感装置的示意图。
具体实施例方式现在具体参考特定实施例，这些特定实施例示出发明人当前预期到的实践本发明的最好方式。替代实施例也简单地描述为可应用。根据这里的教示，提供用于将溶液中的被分析物集中到金属纳米天线上从而改善 SERS探测的浓度阈值的结构和方法。SERS基板被提供为由于在沉积被分析物期间基板的照射将被分析物集中到金属纳米天线上而可以称作“自收集”。SERS基板具有共振光栅，但不必须限于所示的光栅设计。共振光栅与金属纳米天线的组合产生高电场(E场)，这将被分析物吸引到高E场产生的“热斑”。SERS基板被照射时，自动将被分析物吸引到SERS有效区域或“热斑”，从而增大稀释度很高的溶液的SERS信号，即改善探测限制。可替换地，在某些实施例中，可以去除共振光栅，而可以采用对只具有金属纳米天线的基板照射来将被分析物吸引到SERS有效区域。然而，共振光栅与金属纳米天线的组合比只有金属纳米天线具有改善的结果。现在参考图1和图2，其图示自收集SERS基板10的一实施例。基板10具有两个相对的主表面“上”表面IOa和“底”表面或后侧表面10b。基板10包括包括形成在基板的表面IOa中的多个开口的共振光栅12，以及形成在基板的表面IOa上的多个金属纳米天线14。金属纳米天线14形成在包括共振光栅12的开口之间。共振光栅12具有几百nm的周期。例如，在一些实施例中，该周期可以在大约200nm 到大约500nm的范围内。在一些实施例中，包括共振光栅的开口的高度可以在大约20nm到大约500nm的范围内。由光16进行的后侧照射入射到基板10的后表面10b。溶液中的被分析物的一部分18由于共振光栅12与金属纳米天线14的组合产生的高E场而被吸引到金属纳米天线。 然而，虽然图1中具体示出后侧照射，但应当理解的是，由光16进行的照射也可以替代地入射到基板的前表面IOa上，例如参见图6A及与图6A至图6B相关联的讨论。基板10包括对入射光16的波长透明的介电材料。入射光16的波长处于可见到中红外(或大约400nm到大约3000nm)，并且可以是连续的或脉冲的。适合的基板10的材料的非限制性示例包括绝缘体(例如玻璃、石英、陶瓷、氧化铝、硅石、氮化硅等)、聚合材料(例如聚碳酸酯、聚酰胺、丙烯酸树脂等)或半导体(例如硅、InP> GaAs> InAs、GaxAlhAs (其中 0 < χ < 1)、Ιη^—ΑΡ"(其中 0 < χ < 1,0 < y < 1))、绝缘体上硅(SOI)基板、氧化物上氮化物基板(例如氧化物上氮化硅)、设置于硅或 SOI基板上的III-V族半导体，或上述的组合。基板10包括两层形成波导结构的上层10'和为结构提供支撑的底层10"。包括共振光栅12的开口形成在上层或波导层10'中。上层10'的厚度大约为50nm至500nm; 该层可以包括任意普通的、包括上面所列举的波导材料。底层10"的厚度处于几百微米到毫米的范围内；该层可以包括任意普通的、包括上面所列举的基板材料。然而，用于波导层 10'的材料可以不同于用于支撑层10"的材料。同样，如果前侧照射用于将被分析物18集中到纳米天线14上并用于SERS分析，则可以采用对光不透明的材料作为支撑层10"。共振光栅12包括形成在基板10的上表面IOa中的开口，并且纳米天线14设置在上表面上，图2中更清楚的示出。在一实施例中，在普遍应用于CMOS和III-V族半导体工艺中的干蚀刻或湿蚀刻技术之后通过某种形式的光刻(例如光学光刻、电子束光刻、纳米压印光刻等)形成共振光栅12的开口。干蚀刻的非限制性示例包括利用氟、氯和/或甲烷基气体的反应性离子蚀刻 (RIE)，湿蚀刻的非限制性示例利用HC1、HF、氢氧化钠、氢氧化铵、硝酸和/或硫酸基溶液。 开口 12通常不延伸穿过基板10的整个厚度。如图2所示，开口 12具有长方体(或直角棱镜)的形状，或可以是至少两个长度 (高或底)相同的四角棱柱体，或可以是所有的三个长度(高和底)相等的立方体。然而， 应当理解的是，开口 12可以具有任意合适的几何形状，只要形成周期性性阵列即可。虽然图2中示出了少量的开口 12，但进一步应当理解的是，可形成任意数量的开口，且开口的数量可至少部分地取决于表面IOa上包括的天线14的数量。在一个实施例中，开口 12的数量从IOX 10的阵列到大于100X 100的阵列变化。在一个非限制性示例中，阵列包括IOX 120 个开口 12。在另一非限制性示例中，阵列包括100X 100个开口 12。此外，在某种情况下， 阵列沿两个方向(X和Y)具有相同周期性。如这里进一步描述的，共振光栅12的开口与入射光结合，产生沿上表面空间分布的高电场。应当理解的是，相应频率至少部分地由共振光栅阵列12的周期性和期望的拉曼波长确定。更具体地，相应频率可通过以下等式计算
权利要求
1.一种用于表面增强拉曼光谱术的自收集基板(10)，具有第一表面(IOa)和与该第一表面相对的第二表面(10b)，包括支撑于支撑层(10〃)上的波导层(10')，所述波导层与所述第一表面相关联，并且所述支撑层与所述第二表面相关联；以及多个金属纳米天线(14)，设置在所述第一表面上，以使被分析物(18)暴露于光中促使所述被分析物优先集聚在所述纳米天线的附近。
2.根据权利要求1所述的基板(10)，进一步包括共振光栅(12)，所述共振光栅(12)包括以周期性阵列形成于所述波导层(10')中的多个开口，其中所述多个纳米天线(14)可操作地与所述多个开口相关联。
3.根据权利要求2所述的基板(10)，其中所述金属纳米天线(14)分隔于所述共振光栅(12)的所述开口之间。
4.根据权利要求2所述的基板(10)，其中所述共振光栅(12)具有200nm到500nm范围内的开口到开口周期，并且其中所述共振光栅(12)的所述开口为长方体形状。
5.根据权利要求1至4所述的基板(10)，其中所述波长位于可见到中红外范围内。
6.根据权利要求1至5所述的基板(10)，其中将被分析物(18)暴露于光中通过将光源(16)放置为直接照射所述第一表面(IOa)或所述第二表面(IOb)来实现。
7.根据权利要求6所述的基板(10)，其中所述支撑层(10")或者对所述第一表面 (IOa)的照射不透明，或者对所述第二表面(IOb)的照射透明。
8.一种用于施行将被分析物(18)吸引到金属纳米天线(14)和表面增强拉曼光谱术中至少一种的系统(50)，包括如权利要求1所述的基板(10)；以及光源(16、58)，可操作地配置为将光导向所述基板上的所述纳米天线(14)，其中所述光源(16)可以与所述光源(58)相同或不同。
9.根据权利要求8所述的系统(50)，进一步包括共振光栅(12)，所述共振光栅(12)包括以周期性阵列形成于所述波导层(10')中的多个开口，其中所述多个纳米天线(14)可操作地与所述多个开口相关联。
10.根据权利要求8至9所述的系统(50)，其中所述光源(16)被放置为直接照射所述第一表面(IOa)或者所述第二表面(IOb)以促使所述被分析物(18)集聚在所述纳米天线 (14)附近，并且其中所述光源(58)独立于所述光源(16)的位置而被放置为直接照射所述第一表面(IOa)或者所述第二表面(IOb)。
11.根据权利要求8至10所述的系统(50)，进一步包括探测器(56)，所述探测器(56) 可操作地放置为探测来自与所述基板(10)的所述纳米天线(14)的至少一部分相邻放置的所述被分析物18的增强拉曼信号。
12.根据权利要求8至11所述的系统(50)，其中所述光源(16)或者是脉冲的或者是连续波。
13.一种用于增大表面增强拉曼光谱术的信号的方法，包括提供如权利要求1所述的基板(10)；以任意顺序促使含有所述被分析物(18)的溶液暴露于所述基板的所述第一表面(10a)，和将光(16)直接或通过所述基板导引到所述纳米天线(14)上， 从而改善所述被分析物的探测限制。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述基板进一步包括共振光栅(12)，所述共振光栅(12)包括形成于所述波导层(10')中的多个开口，其中所述多个纳米天线(14)可操作地与所述多个开口相关联。
15.根据权利要求13至14所述的方法，其中所述照射光或者是脉冲的或者是连续波。
全文摘要
一种用于表面增强拉曼光谱术的自收集基板(10)，具有第一表面(10a)和与该第一表面相对的第二表面(10b)，包括支撑于支撑层(10″)上的波导层(10′)，所述波导层与所述第一表面相关联，并且所述支撑层与所述第二表面相关联；以及多个金属纳米天线(14)，设置在所述第一表面上且可操作地与所述多个开口相关联，以使被分析物(18)暴露于光中促使所述被分析物优先集聚在所述纳米天线的附近。提供一种用于使用基板(10)施行将被分析物(18)吸引到金属纳米天线(14)和表面增强拉曼光谱术中至少一种的系统(50)以及一种用于增大表面增强拉曼光谱术的信号的方法。
文档编号G01N21/65GK102483355SQ201080038530
公开日2012年5月30日 申请日期2010年1月29日 优先权日2010年1月29日
发明者大卫·法塔勒, 李志勇 申请人:惠普发展公司，有限责任合伙企业