[发明专利]一种#字形纳米电磁超介质表面增强拉曼散射衬底

说明书

技术领域

本发明属于表面光谱技术领域，具体涉及一种#字形纳米电磁超介质表面增强拉曼散射衬底。

背景技术

C.V.Raman于1928年发现拉曼散射效应，并因此获得诺贝尔物理学奖，拉曼光谱技术作为研究分子结构和各种物质微观结构的重要工具，得到了广泛应用。但由于拉曼光谱的检测灵敏度很低，很难检测到表面或界面分子，使其应用受到很大限制。1974年英国Fleschmann发现在粗糙的银电极表面上能获得吸附吡啶分子的很强的拉曼散射，并认为这是由于粗糙表面的表面积增大，使吸附分子数增多引起的。1977年Van Duyne和Creighton等人通过仔细的实验分析后，分别发现在粗糙电极和贵金属胶体体系中拉曼散射信号可增强10⁶倍，远大于表面积的增加所能引起的信号增强，认为这是一种新的效应，这种现象被称为表面增强拉曼散射效应。表面增强拉曼光谱具有很高的灵敏度，在电化学表面吸附行为、催化、单分子检测、生物医学、材料科学等众多领域具有广阔的应用前景。表面增强拉曼散射的核心是具有电磁场增强效应的纳米金属衬底，增强效应主要来自于纳米金属颗粒表面的局域等离子体共振。

目前制备的表面增强拉曼散射衬底主要有：电化学氧化还原法制备的粗糙金属电极表面、金属胶体体系、合成纳米粒子、纳米粒子组装体系。但这些衬底的颗粒大小、形状、分布状态及团聚状态都很难控制，所以用这些衬底做表面增强拉曼散射实验，会导致实验结果不稳定，重现性差，这就极大地制约了表面增强拉曼散射技术的定量分析的可靠性和实际工业化应用。

发明内容

为克服现有技术的不足之处，本发明目的在于提供一种#字形纳米电磁超介质表面增强拉曼散射衬底。

为实现上述目的，本发明采取了如下的技术方案：

一种#字形纳米电磁超介质表面增强拉曼散射衬底：所述衬底由基板及周期排列在其上并形成二维阵列的#字形纳米金属结构单元组成。所述#字形纳米金属结构单元由四根相同规格的金属纳米棒构筑而成。

进一步地，#字形纳米金属结构单元在基板上排列时，在二维平面的两轴向上的排列周期为160～260nm，纳米金属结构单元的尺寸为：横棒或竖棒长度140～240nm，横棒或竖棒宽度30～45nm，横棒或竖棒间距6～30nm，横棒或竖棒厚度25～35nm。

再进一步地，所用金属为币族金属。

较好地，所述币族金属为金、银或铜。

基板为本领域公知常用的电介质或半导体材料，电介质材料优选为玻璃或氧化铝等，半导体材料优选为硅、氧化硅、氧化锌或砷化镓等。

本发明衬底的#字形纳米金属结构单元周期结构可以用现有已知的纳米压印平板印刷术(nanoimprint lithography)[Kebin Li et al.Surface enhanced Ramanscattering on long-rangd ordered noble-metal nanocrescent arrays，Nanotechnology19(2008)145305]技术来制备。

与现有表面增强拉曼散射衬底相比，本发明具有下列优点和效果：

(1)、本发明是基于一种新的电磁超介质(Metamaterials)电磁响应理念，来设计具有大的电磁场增强效应、高稳定性和重现性的表面增强拉曼散射衬底。这种电磁超介质是人工设计的具有特殊电磁响应的单元组成的周期性结构，该结构简单，为单层平面结构，该结构可以采用平板纳米压印技术来实现，适合大规模批量制备，控制精度高，结构的可控性保证了表面增强拉曼散射衬底的稳定性和重现性；而且制备得到的结构单元排列整齐，可以大大提高表面增强拉曼散射测试的重现性。同时，结合特殊的电磁场分布热点设计，可以获得很高的电磁场增强效应。

(2)、得到的消光谱有两个很强的等离子体共振峰，标记为N＝1基模，N＝2二次模。由于本发明衬底结构的对称性，入射光沿x或y方向偏振都能得到相同的双波段响应效果。

(3)、共振波长可以通过改变纳米棒的几何尺寸来实现调控，共振波长可在可见光到近红外光大范围内(蓝光到近红外光)调节。当入射光的偏振方向沿竖棒(即y方向)，通过改变横棒长度a，可以调控第一个共振峰(N＝1)波长，通过改变横棒间距e，可以有效调控第二个共振峰(N＝2)的波长，通过改变竖棒间距f，可以同时调控两个共振峰的位置。