[发明专利]用于表面增强拉曼光谱法的宽带结构

说明书

政府权益声明

本发明依据合同No.HR0011-09-3-0002而在政府支持下完成，获得国防高级研究计划局的奖励。政府在本发明中具有特定权利。

背景技术

本公开内容总体上涉及用于表面增强拉曼光谱法的宽带结构。

拉曼光谱法用于研究在单色光与分子相互作用时在分子能量状态之间的跃迁，其中单色光与分子的相互作用导致光子能量转移或散射。能量转移提供了在分子系统中的振动能量间隔的信息。表面增强拉曼光谱法(SERS)借助于在例如粗糙金属表面或金属纳米粒子聚集体上所吸收的分子来增强拉曼散射。拉曼信号增强通常涉及由于局部表面等离子体共振(plasmon resonance)而在金属表面附近产生的大电场。然而，SERS信号极度依赖于激发光的波长。为了实现较大的拉曼增强因子，可以将激发光的波长调谐至紧密接近金属纳米粒子的表面等离子体共振。

附图说明

通过参考以下详细说明以及附图，本公开内容的实施例的特征和优点将会变得明显，在附图中，类似的附图标记对应于类似的、尽管可能并不相同的组件。为了简单起见，具有之前已经描述过的功能的附图标记或特征可能或可能不结合出现它们的其它附图进行描述。

图1是具有弧形介电层的宽带SERS结构的一个实施例的示意性截面视图；

图2是具有台阶形介电层的宽带SERS结构的另一个实施例的示意性截面视图；

图3是具有金字塔形介电层的宽带SERS结构的另一个实施例的示意性截面视图；

图4A至4G是示意性截面视图，它们共同示出了用于形成具有弧形介电层的宽带SERS结构的一个实施例的方法的实施例；

图5A至5F是示意性截面视图，它们共同示出了用于形成宽带SERS结构的实施例的方法的另一实施例；以及

图6是流程图，描绘了用于形成具有金字塔形介电层或台阶形介电层的宽带SERS结构的一个实施例的方法的实施例。

具体实施方式

本文公开的SERS结构的实施例实现了对于金属纳米结构在宽电磁频谱(例如，从近紫外(UV)至近红外(IR))上的等离子体共振的系统控制。可变的等离子体共振使用单个设备在许多激发波长上提供了均匀的SERS增强。由此，本文所公开的结构与包括单个类型的等离子体共振纳米结构的结构相比具有优势，其中，所述包括单个类型的等离子体共振纳米结构的结构往往极度依赖于所使用的激发波长。此外，可以相信，本文所公开的SERS结构的宽带响应有利地消除了在一些波长处的低效拉曼响应。

现在同时参考图1、2和3，其分别示出了宽带结构10、10’、10”的各个实施例。结构10、10’、10”中的每个均包括衬底12，其具有设置在其上的金属层14。衬底12通常由任何合适的材料形成。在一个实施例中，衬底12由介电材料构成。合适的衬底材料的非限定性实例包括绝缘体(例如，玻璃、石英、陶瓷(例如，氧化铝)，等等)、聚合材料(例如，聚碳酸酯、聚酰胺、丙烯酸树脂，等等)或半导体(例如，硅、InP、GaAs、InAs、In_xGa_1-xAs_yP_1-y(其中，0＜x＜1，0＜y＜1))、绝缘体上硅(SOI)衬底、或SOI衬底上的硅上的III-V族半导体。

金属层14通常从金、银、铜、铝或其各种合金和混合物中选出。可以相信，金可能尤其有利于增强结构10、10’、10”的稳定性。金属层14可以使用任何合适的方法来沉积，这些方法包括化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)、电镀，等等。金属层14可以具有任何期望的厚度。在一个实施例中，该厚度从约50nm至约100nm。可以期望的是，该厚度为几十个纳米。

每个结构10、10’、10”还包括介电材料16，在制造期间，介电材料16被图案化、固化或蚀刻，以形成具有期望的形状和变化的厚度t的介电层16_A、16_S、16_P。该形状可以是导致在金属层14与设置在介电层16_A、16_S、16_P上的两个或更多个纳米结构18之间的可变间隔的任何期望形状。这种形状的非限制性实例包括弧形(见图1)或半球形、多台阶形(见图2)、或金字塔形(见图3)。例如，可以使用其它合适的形状，诸如三角形，在所述三角形中，介电层的表面(该实施例并未示出)具有相对于金属层14的表面的预定斜度。