[发明专利]一种具有表面增强拉曼散射的金纳米环堆叠阵列基底及制备方法

说明书

本发明公开一种具有表面增强拉曼散射的金纳米环堆叠阵列基底及制备方法，利用光刻工艺中的驻波效应，即入射光基底材料的表面反射与入射光发生干涉而在光刻胶上形成一种特定堆叠三维结构，与此同时，多光束激光干涉光刻技术又将这种堆叠三维结构按照指定的周期分布排列，经过溅射一层纳米厚度的金薄膜，形成金纳米环堆叠阵列，该结构具有表面增强拉曼散射的效果，可用于拉曼散射检测的基底材料，从而有效地提高被检测物质的拉曼信号。

技术领域

本发明涉及一种具有表面增强拉曼散射的金纳米环堆叠阵列基底及制备方法，属于纳米材料加工领域。

背景技术

拉曼光谱相比于其他光谱技术而言，具有独特优势，主要体现在以下几个方面：(1)拉曼光谱检测的是光频率的变化，与激发光源波长没有直接关系，因此可以根据测试材料的特点、荧光特性等选择合适的激发光波长；(2)拉曼光谱不受水的影响，特别适合生物领域中样品的无损检测和在线检测；(3)拉曼光谱检测对样品没有严格要求，不需要制样，通常只需要微量的样品就可以满足测量需求，可作为一种痕量检测手段；(4)各物质的拉曼光谱不同且互不干扰，可以通过拉曼光谱技术同时检测多种物质，这对于材料分析研究有着非常重要的意义。

但由于拉曼光谱的灵敏度低、信号强度弱，通常只有瑞利散射强度的10^-6-10^-9，且容易受到材料荧光的干扰，荧光信号与拉曼信号重叠降低了拉曼光谱检测的信噪比，使得拉曼光谱受到限制。

表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering,SERS)现象的发现使得拉曼光谱技术得到进一步的发展。SERS能够对各种表面及界面结构进行深入表征，其带来的6个数量级的增强，极大地提高了分子材料鉴别的灵敏度，容易检测到吸附在金属基底表面的单层分子。

自从SERS发现以来，人类对SERS研究的历史也是关于SERS基底的制造史。从最早电化学腐蚀制备的粗糙表面Ag电极，到后来纳米加工技术的不断涌现，各种基于物理、化学的纳米加工技术制备了多种纳米结构形式的SERS基底，包括Au和Ag的纳米颗粒、纳米尺度的壳结构、纳米针尖结构、纳米孔、纳米泡、纳米条纹等。

可控的周期性等离子体纳米结构主要有两类纳米加工技术。一类是刻蚀技术，另一类是模板合成法。刻蚀技术主要包括：电子束、离子束、激光刻蚀技术和扫描探针(SPM)技术。这类技术，可以制造周期性非常好的等离子体纳米结构，结构尺寸和结构形式也可以进行非常好的控制。但是这类技术采用点到点的顺序加工方法，加工速度较慢，不适合生产应用。第二、模板合成法。利用自组装现象，可以简单并且快速制造较大面积的表面纳米结构。通过合成各种各样的模板，等离子体纳米结构也可以有各种形式，但是目前为止，由于方法的局限性，很难控制粒子间距。

综上所述，以上这些方法都无法同时满足SERS基底大面积、均一性和高增强信号的要求。而激光干涉光刻技术在这些方面有着独特的优势，可以直接或间接制造周期性纳米结构，且结构参数易于控制；不同于其他光刻技术，激光干涉光刻采用并行加工，一次加工面积较大，加工效率相对较高；其次，系统简单，较适合产业化应用。

发明内容

本发明技术解决问题：为克服同时满足大面积、均一性和高增强信号的SERS基底制备要求，提供一种具有表面增强拉曼散射的金纳米环堆叠阵列基底及制备方法，具有无掩膜，曝光面积大等优点，易于实现大面积制备。

本发明技术解决方案：利用光刻工艺中的驻波效应和多光束激光干涉光刻技术获得一种具有表面增强拉曼散射的金纳米环堆叠阵列基底，这种金纳米环堆叠阵列基底是一种三维结构。由于驻波效应，这种三维结构在Z轴方向上为金纳米环状堆叠结构，金纳米环按照固定的周期距离堆叠一起，由下至上，金纳米环的直径逐渐增大，而宽度逐渐减小。这种三维结构可以通过多光束激光干涉光刻技术，在X-Y轴内，形成不同的形状、不同周期性分布的阵列结构。这种金纳米环堆叠阵列基底具有很好的表面增强拉曼散射效果。