[发明专利]用于增强局部电场、光吸收、光辐射、材料检测的结构以及用于制作和使用此结构的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请涉及Chou等人于2010年5月21日提交的美国临时专利申请序列号61/347,178，标题为“用于局部电场、光吸收和光辐射的增强的结构”，并要求其优先权，其以引用方式并入本文。

有关美国联邦资助的研究的声明

本发明是利用美国政府支持在空军科学研究局给予的资助编号FA9550-08-1-0222下完成的。美国政府在本发明中拥有某些权利。

背景技术

本申请涉及用于实现结构或材料的一些特性的增强的微米级和纳米结构，包括置于结构上或附近的分子，其制造和此类结构和增强的材料的应用。这些特性包括物理、化学或生物特性。物理特性可以包括光和电特性。

这些增强的特性可对于材料的检测或增强电和光装置（包括太阳能电池、激光器、发光二极管和显示器）的性能非常有用。例如，存在巨大需求以开发增强材料的局部电场、光的吸收和光的辐射的微米级和纳米结构，从而能够利用来增强在结构表面上的分子和其他材料的检测中所采用的光信号，如荧光、光致发光、和表面增强拉曼散射（SERS）。

发明内容

概述地来说，本公开提供用于一种材料的微米结构和纳米结构，其能够增强通过入射光在该材料中引起的局部电场、材料对光的吸收以及该材料的表面处生成的光的辐射。还公开了制造这些结构的方法。还公开了增强结构表面上的分子和其他材料的检测中的光信号（如荧光、光致发光和表面增强拉曼散射（SERS））的结构的应用。

通过结合附图阅读下文描述，将更加显见到本公开以及当前的优选实施方案中提出的前述特征和优点。

附图说明

在构成说明书的一部分的附图中：

图1A示出碟耦合柱上点天线阵列（Disc-Coupled Dots-on-Pillar Antenna-Array）（D2PA）的示例结构，其由SiO₂柱体阵列形式的密集3D空腔纳米天线组成，其中每个柱体的顶部具有金属碟，SiO₂柱体的底部具有金属背板以及SiO₂柱体侧壁上具有金属纳米点，全部经由纳米间隙耦合；

图1B是图1A的柱体的剖面图；

图2A和图2B示出碟耦合柱上点天线阵列（D2PA）的扫描电子显微照相图，该碟耦合柱上点天线阵列（D2PA）由硅基片上的70nm直径和130nm高的圆形SiO₂柱体、金属碟、背板和全部由Au制成的点组成，其中碟直径为～100nm，碟和板厚度为50nm，平均点直径为30nm，以及碟与点之间以及相邻点之间的的平均间隙在0.5至15nm的范围；

图3A示出SiO2位于金属背板下方的碟耦合柱上点天线阵列（D2PA）的备选结构；

图3B是图3A的柱体的剖面图；

图4A示出具有无孔的金属背板的碟耦合柱上点天线阵列（D2PA）的备选结构；

图4B是图4A的柱体的剖面图；

图5A示出用于使用纳米压印工序在基片上形成柱体阵列的示例制造工序；

图5B示出用于制作碟耦合柱上点天线阵列（D2PA）的备选示例制造工序；

图6示出对于扫描电子显微照相图（A）-（H）所示的多种碟直径测量的D2PA Au碟直径对BPE分子的SERS增强的影响的曲线图；

图7A示出对于BPE分子以不同柱体高度33nm、44nm、54nm、62nm、74nm和84nm的D2PA SiO2柱体高度测量的SERS信号的示例曲线图，其示出柱体高度对拉曼峰值强度的影响（计数）；

图7B图表示出柱体高度对拉曼峰值强度的影响（计数）；

图7C-7J是图7A中图表示出的多种柱体高度的扫描电子照相图；

图8示出对于扫描电子显微照相图（A）-（H）所示的多种柱体高度（柱体高度：12、22、33、44、54、62、74和84nm）NPA SiO2柱体高度对测量的光反射率（吸收）的测量的影响的曲线图；

图9示出通过纳米压印制造的每个单位单元的一个柱体（柱体周期为200nm）的阵列的扫描电子照相图；

图10示出通过纳米压印制造的每个单位单元的两个柱体（柱体周期为200nm）的阵列的扫描电子照相图；

图11示出对于扫描电子显微照相图（A）-（G）所示的多种圆形柱体间距周期（周期=120、140、160、180、200、250和300nm）测量的圆形柱体间距对SERS增强系数的影响的曲线图；