[发明专利]基于重离子径迹技术的超表面纳米天线阵列的制造方法及应用

说明书

本发明公开了基于重离子径迹技术的超表面纳米天线阵列的制造方法及应用，步骤S1：采用时域有限差分仿真软件设计纳米天线阵列；步骤S2：优化超聚焦点的聚焦度；步骤S3：制造基于超表面的纳米天线阵列；步骤S4：超表面的纳米天线阵列结构在生物成像中的应用；步骤S5：通过暗场显微镜目镜及CCD相机观察样品形貌；步骤S6：基于超表面的纳米天线阵列结构在生化检测中的应用；解决了以往报道的完美透镜中存在的能量在光学材料中的损失严重、没有工作距离、没有成像放大作用和只是一维成像的问题。

技术领域

本发明涉及天线阵列领域，特别是涉及基于重离子径迹技术的超表面纳米天线阵列的制造方法及应用。

背景技术

随着纳米技术的发展，在纳米量级的光学成像能力的进一步提升势在必行，这将对材料科学、化学和生物等学科起到革命性的推动作用。普通光学显微镜的分辨率由于受到衍射极限的限制，所能达到的极限分辨率λ₀/2早已不能满足现代科学研究的需求。尽管后来金斯莱克在1983发明了浸没显微镜，并将分辨率进一步下降到了λ₀/2n。但是，由于受到介质折射率n的范围限制，分辨率仍然受到一定限制。最近，已经提出了一些突破亚波长衍射极限分辨率的方法。其中一个是Pendry于2000年提出的基于完美透镜的超分辨成像技术。

近十多年来，基于超表面等离激元的研究取得了重大进展,主要研究被限制在光波长量级或小于光波长的电磁场的问题。电子科技大学物理学院付永启教授实验室研究出一种新型的基于超表面的纳米天线阵列。它可为成像提供纳米量级的光源，突破传统的衍射极限。但到目前为止,对于基于超表面纳米天线阵列,国内外还未见报道,相关技术细节也很少。

已报道的完美透镜存在的不足之处是：1.能量在光学材料中的损失严重；2.没有工作距离；3.没有成像放大作用；4.只是一维成像。由于存在这些缺点，透镜的性能受限，只有当光学光谱范围内的超低损耗和负磁导率的超材料被开发出来，才可能用完美透镜观察图像。而本专利提出的一种新型的基于重离子径迹技术的超表面纳米天线阵列，可产生半高全宽为纳米量级的微小“热点”作为照明光源，理论上，可实现低至λ₀/10的成像分辨率，突破了传统的光学衍射极限。避免了以往报道的完美透镜所存在的缺点，减少了能量在光学元件中的损失，阵列表面可以激发出表面等离激元(SPPs)，并在阵列尖端处汇聚收集能量，形成的微小的“热点”就像无数的星星在宇宙中闪耀一般，大大提高了能量的利用效率，并以此作为照明光源，提高了空间的分辨率，有望突破现有技术的瓶颈，对材料科学、化学、生物等学科起到了至关重要的作用。此外，可以实现二维图像成像，远远超越了完美透镜的一维成像，使光学成像的发展有了质的飞跃。其次，基于超表面的纳米天线阵列对超材料的要求降低，不再需要开发出超低损耗和负磁导率的超材料，只需要通过改变结构单元的形状和尺寸、调整结构的位置和形态、改变不同的材料就有可能出现新的电磁场特性和功能，这使得结构更易于优化、加工、生产，更易于开发出新的性能，出现令人惊讶的奇特性质。同时，该结构对不同的分子或者物质具有生物传感器的检测性能，特别是在需要生化传感器检测功能和光学成像的情况下，是可行的选择。利用这一新的纳米天线阵列可用于生物检测、光学成像、医学研究、材料科学等领域，尤其是对聚焦型纳米光子器件的研究有重要的意义，为突破传统的光学衍射极限，提高分辨率提供了一种可行和重要的方式。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了基于重离子径迹技术的超表面纳米天线阵列的制造方法及实现，解决了以往透镜中能量在光学材料中的损失严重、没有工作距离、没有成像放大作用和只是一维成像的问题。

本发明采用的技术方案是：基于重离子径迹技术的超表面纳米天线阵列的制造方法及应用,方法包括如下步骤：

步骤S1：采用时域有限差分仿真软件设计纳米天线阵列，并计算出阵列尖端产生的表面等离激元，形成局部增强的“热点效应”；

步骤S2：根据设计的纳米天线参数，优化“热点效应”超聚焦点的聚焦度；