金属-电介质-金属超表面SERS基底及其加工方法与流程

金属-电介质-金属超表面sers基底及其加工方法
技术领域
1.本发明涉及一种表面增强拉曼检测技术，具体地说是一种金属-电介质-金属超表面sers基底及其加工方法。


背景技术：

2.表面增强拉曼散射（surfaceenhancedramanscattering，sers）检测技术由于其高灵敏度、高精度、检测速度快等优点而被广泛应用于食品安全、生物制药、医疗检查、环境保护等领域的痕量检测中。当前sers检测中所用的增强基底主要主要有两种：单一金属纳米颗粒溶胶，包括金纳米颗粒溶胶和银纳米颗粒溶胶；纳米三维阵列结构，包括球状纳米阵列结构、柱状纳米阵列结构、锥状纳米阵列结构等。贵金属纳米颗粒溶胶具有成本低、制备简单等优点，但是贵金属纳米颗粒溶胶热点区域的数量在单位体积内有限且热点区域范围较小的缺点。利用等离子体刻蚀和传统光刻加工技术制备的纳米三维阵列结构具有很好的结构周期性和sers信号重现性，但是加工成本高昂，加工时间长。这两种sers基底由于增强电场局限于其表面附近很小的区域，都需要待测分子精确吸附在其表面形成的热点区域，导致基底的“污染”，无法实现可连续sers检测。


技术实现要素：

3.本发明的目的就是提供一种金属-电介质-金属超表面sers基底及其加工方法，以解决当前sers基底热点区域范围过小且局限于表面附近，待测分子需要精确吸附从而产生“污染”的问题。
4.本发明是这样实现的：一种金属-电介质-金属超表面sers基底，包括第一sio2基层，在所述第一sio2基层表面设置有贵金属层，在所述贵金属层表面设置有第二sio2基层，在所述第二sio2基层靠近所述贵金属层一侧的表面上设有凹槽，在所述凹槽的底面设置有若干贵金属线。
5.在本发明的sers基底中，所述凹槽的横截面为矩形，所述凹槽底面平行于所述贵金属层。
6.在本发明的sers基底中，所述贵金属线相互平行且长度方向和所述凹槽的长度方向一致，所述贵金属线等距分布。
7.在本发明的sers基底中，所述贵金属线的横截面为矩形。
8.在本发明的sers基底中，所述贵金属层是通过蒸镀方法将金或银等贵金属均匀、致密的附着在第一sio2基层表面形成的。
9.本发明还公开了一种金属-电介质-金属超表面sers基底的加工方法，包括以下步骤。
10.a.准备表面平整的第一sio2基层，对其表面进行清洗并烘干。
11.b.通过蒸镀方法将贵金属均匀、致密的附着在预处理后的第一sio2基层表面，形成连续的贵金属层。
12.c.准备表面平整的第二sio2基层，对其表面进行清洗并烘干。
13.d.在所述第二sio2基层表面涂布一层光刻胶，通过烘烤得到固化的光刻胶薄膜。
14.e.通过紫外线曝光的方式将凹槽图案转移到光刻胶薄膜上，然后利用反应离子刻蚀在所述第二sio2基层表面刻蚀得到凹槽。
15.f.通过蒸镀方法将贵金属均匀、致密的附着在所述凹槽的底面，形成连续的槽底金属层。
16.g.对所述第二sio2基层进行除胶处理，然后重新在槽底金属层表面涂布一层电子束光刻胶，烘烤后得到固化的光刻胶薄膜。
17.h.对所述第二sio2基层上凹槽的底面进行电子束光刻和干法刻蚀，得到贵金属线。
18.i.对所述第二sio2基层进行除胶处理。
19.j.将所述第一sio2基层具有贵金属层的一面与所述第二sio2基层设有凹槽的一面相贴合得到完整sers基底。
20.在本发明的加工方法中，所述凹槽的深度通过调整反应离子刻蚀时间控制，根据检测过程中包含待测分子的介质进行调整。
21.在本发明的加工方法中，蒸镀方法为热蒸镀或电子束蒸镀，贵金属层和槽底金属层的厚度通过调整蒸镀时间控制。
22.本发明的第一sio2基层贴合在第二sio2基层上，贵金属层和凹槽底面上的贵金属线之间形成空腔，空腔可供待测分子通过。当携带有待测分子的介质通过空腔时，贵金属层、贵金属线和介质形成金属-电介质-金属超表面结构，激光从第二sio2基层射入，在入射光照射在贵金属线上时，利用贵金属线形成表面等离子体共振（surface plasmon resonance，spr）将入射光能量耦合进入结构内部，利用贵金属层反射在电介质层中形成共振，从而形成稳定的全域增强电场，使待测分子在整个电介质层中都能产生增强的拉曼信号。
23.本发明金属-电介质-金属超表面sers基底的使用，使得在sers检测中无需待测分子精确吸附在基底表面的热点区域，避免了待测分子对基底表面的“污染”，实现了可连续sers检测。
附图说明
24.图1是本发明金属-电介质-金属超表面sers基底的结构图。
25.图2是本发明金属-电介质-金属超表面sers基底的立体图。
26.图3是本发明金属-电介质-金属超表面sers基底在785nm激光的激励作用下，电介质层中电场强度分布示意图。
27.图4是本发明金属-电介质-金属超表面sers基底在785nm激光激励作用下，电介质层中的平均电场强度和增强因子沿x方向在一个周期内的变化情况示意图。
28.图5是本发明金属-电介质-金属超表面sers基底在785nm激光激励作用下，电介质层中的平均电场强度和增强因子随着与贵金属层之间的距离d的变化情况示意图。
29.图中：1、第一sio2基层；2、贵金属层；3、第二sio2基层；4、贵金属线；5、凹槽。
具体实施方式
30.如图1、图2所示，本发明的金属-电介质-金属超表面sers基底，包括第一sio2基层1，在第一sio2基层1表面设置有贵金属层2，在贵金属层2表面设置有第二sio2基层3，在第二sio2基层3靠近贵金属层2一侧的表面上设有凹槽5，在凹槽5的底面设置有若干贵金属线4。
31.其中，凹槽5的横截面为矩形，凹槽5底面平行于贵金属层2。第二sio2基层3上的凹槽5采用反应离子刻蚀的方法加工得到，通过对紫外线曝光掩模板和刻蚀时间的控制，可以得到相应宽度和深度的凹槽5。
32.贵金属线4相互平行且长度方向和凹槽5的长度方向一致，贵金属线4的横截面为矩形，贵金属线4按照一定的周期等距分布，用以在入射激光照射在其表面时产生表面等离子体共振，将入射光能量耦合进入sers基底内部，与贵金属层2共同作用在凹槽5内产生稳定的全域分布的增强电场。
33.贵金属线4呈现阶跃光栅结构的分布形式，与第一sio2基层1表面的贵金属层2之间形成金属-电介质-金属的超表面结构，利用完美吸收特性在电介质层中形成全域分布的增强电场，以实现全域sers增强效应。
34.贵金属层2是通过蒸镀方法将金或银等贵金属均匀、致密的附着在第一sio2基层1表面形成的，其厚度可通过蒸镀时间控制。
35.贵金属层2的厚度远大于入射光的趋肤深度，在反射入射光能量进入电介质层的同时，减少了因透射损失的能量，从而在电介质层中形成较强的增强电场。
36.本发明中第二sio2基层3凹槽5底部的贵金属线4的高度远小于凹槽5的深度，本发明的第一sio2基层1贴合在第二sio2基层3上，贵金属层2和凹槽5底面上的贵金属线4之间形成空腔，空腔可供待测分子通过。当携带有待测分子的介质通过空腔时，贵金属层2、贵金属线4和介质形成金属-电介质-金属超表面结构，激光从第二sio2基层3射入，入射光透过二氧化硅照射在贵金属线4上，利用贵金属线4形成表面等离子体共振（surface plasmon resonance，spr）将入射光能量耦合进入结构内部，然后利用贵金属层2反射在电介质层中形成共振，从而形成稳定的全域增强电场，使待测分子在整个电介质层中都能产生增强的拉曼信号。
37.本发明可以通过调整贵金属线4的分布周期和金属材质来满足不同入射激光波长的要求，同时调整电介质层厚度（即凹槽5深度）可携带待测分子的电介质变化时形成共振的需求，从而满足多种场合的sers检测。
38.如图3所示，在波长为785nm激光垂直照射作用下，本发明金属-电介质-金属超表面sers基底的电介质层中的增强电场最大值约为18.7，其平均电场强度和增强因子分布在x方向和z方向的变化规律如图4和图5所示，满足增强因子》2
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103的区域在x方向和z方向的占比分别为100%和61.48%，由此可知，待测分子在电介质层任意位置都可以实现有效的拉曼信号增强，不需要待测分子精确吸附在基
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表面形成的热点区域，从而能够避免在基底表面精确吸附造成对基底的污染。
39.本发明金属-电介质-金属超表面sers基底的加工方法，包括以下步骤。
40.a.准备表面平整的第一sio2基层1，对其表面进行清洗并烘干。
41.b.通过蒸镀方法将贵金属均匀、致密的附着在预处理后的第一sio2基层1表面，形成连续的贵金属层2。
42.c.准备表面平整的第二sio2基层3，对其表面进行清洗并烘干。
43.d.在第二sio2基层3表面涂布一层光刻胶，通过烘烤得到固化的光刻胶薄膜。
44.e.通过紫外线曝光的方式将凹槽5图案转移到光刻胶薄膜上，然后利用反应离子刻蚀在第二sio2基层3表面刻蚀得到凹槽5。
45.f.通过蒸镀方法将贵金属均匀、致密的附着在凹槽5的底面，形成连续的槽底金属层。
46.g.对第二sio2基层3进行除胶处理，然后重新在槽底金属层表面涂布一层电子束光刻胶，烘烤后得到固化的光刻胶薄膜。
47.h.对第二sio2基层3上凹槽5的底面进行电子束光刻和干法刻蚀，得到贵金属线4。
48.i.对第二sio2基层3进行除胶处理。
49.j.将第一sio2基层1具有贵金属层2的一面与第二sio2基层3设有凹槽5的一面相贴合得到完整sers基底。
50.在本发明的加工方法中，凹槽5的深度通过调整反应离子刻蚀时间控制，根据检测过程中包含待测分子的介质进行调整。
51.在本发明的加工方法中，蒸镀方法为热蒸镀或电子束蒸镀，贵金属层2和槽底金属层的厚度通过调整蒸镀时间控制。
52.在加工时，先分别制得带有贵金属层2的第一sio2基层1以及具有凹槽5且在凹槽5底部周期分布有贵金属线4的第二sio2基层3，然后将两者组合便可得到最终的金属-电介质-金属超表面sers基底，制作过程简单，且可以调节相应参数，控制贵金属层2厚度、凹槽5宽度和深度、贵金属线4的周期等，得到尺寸参数不同的基
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，以适用于不同类型的待测分子。