六方周期Au孔洞結構制備與表征方法研究

楊潤

摘 要：表面等離激元器件的應用極大擴展了傳統光學器件不能達到的極限，為了滿足對表面等離激元器件的需求，我們需要探索出能夠大面積、低成本制備表面等離激元器件的方法。本文利用聚苯乙烯（Polystyrene，PS）納米球自組裝方法，在多層介質材料基底上制備了六方周期Au納米孔洞結構，實現了低成本、大面積的制備表面等離激元器件。所制備的表面等離激元Au納米孔洞器件可以應用在表面增強拉曼光譜研究、生物醫學傳感、超限分辨成像等領域。

關鍵詞：表面等離激元;六方周期結構，自組裝

近二十年來，各種納米制備技術的快速發展使得科研人員能夠制備更加精細的納米結構，從而在亞波長尺度上研究光與物質的相互作用[1]。將入射光局域在亞波長尺度的金屬表面，并與金屬表面自由電子發生耦合產生沿表面傳播的電磁波的現象既為表面等離激元共振（Surface Plasmon Resonances，SPR）[2]。與傳統的光學器件不同，表面等離激元能夠突破衍射極限使得傳輸電磁波達到無與倫比的增強和聚焦效果。當前，人們利用表面等離激元的特殊性質制備了包括表面增強熒光檢測儀、生物蛋白檢測儀、超分辨成像儀等[3-5]。

目前，表面等離激元器件制備大多采用干涉光刻、離子束刻蝕、電子束曝光[6]，這些制備方法雖然制備精度能到納米級，但這些制備技術需要用到高端制造設備，采用以上方法制備納米器件成本高、效率低，不適合工業化大面積生產。本文采用PS小球自組裝技術，在Ce：YIG/YIG/Si三層介質基底上制備了周期為550nm，孔洞直徑為340nm左右的六方周期Au孔洞結構，并利用SEM和AFM表征樣品表面形貌。

1 Au納米孔洞結構制備

利用脈沖激光沉積（Pulsed Laser Deposition，PLD）技術在雙拋Si基片表面沉積一層大約50nm厚的YIG材料，利用快速退火使得YIG結晶;然后再利用PLD在YIG種子層上沉積一層約65nm的Ce：YIG材料。如圖1所示，Ce：YIG/YIG/Si三層介質基底制備完成后，經過以下步驟制備六方周期Au納米孔洞結構：

首先，在Ce：YIG/YIG/Si三層介質基底上排布直徑約為550nm的PS納米球，再利用氧等離子體刻蝕PS小球，通過控制氧等離子體刻蝕時間和刻蝕速率得到直徑約為340nm的六方周期納米球陣列。然后，利用熱蒸發技術，沉積厚度大約為40nm的Au。最后，利用甲苯溶液洗去PS納米球，得到六方周期Au孔洞結構。

2 Au納米孔洞結構SEM表征

圖2顯示了利用PS納米球自組裝法制備的六方周期Au孔洞結構表面SEM圖，從圖中可以看到制備的納米孔洞結構表面均勻，且實現大面積制備，孔洞直徑直徑大約在340nm，符合最初的設計尺寸。利用PS小球自組裝法得到的表面等離激元器件，具有大面積制備、成本低的特點，適合應用于工業化生產。

3 Au納米孔洞結構AFM表征

圖3顯示了六方周期Au納米孔洞結構的AFM圖，從圖中可以看出，在2微米的范圍內Au孔洞結構深度大約為40nm，同時可以觀察到Au孔表面較為光滑，粗糙度低，說明利用自組裝法得到的六方周期孔洞質量較高。

4 結論

本文利用PS小球自組裝法在Ce：YIG/YIG/Si三層介質基底上制備了表面均勻整潔的六方周期Au納米孔洞結構，通過控制氧等離子體刻蝕PS小球的速率和時間可以制備出不同直徑的六方周期性孔洞結構，采用該方法可以大面積低成本的制備出高質量的表面等離激元器件，為實現工業化生產奠定基礎。

參考文獻：

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[4]S.T.Hess，T.P.K.Girirajan，M.D.Mason.Ultra-high resolution imaging by fluorescence photoactivation localization microscopy[J].Biophys J，2006，91：4258-4272.

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[6]C.Valsecchi，L.E.G.Armas，A.J.Menezes.."Large Area Nanohole Arrays for Sensing Fabricated by Interference Lithography." Sensors（Basel），2019，19（9）.