超大金属纳米级狭缝的表面等离子体共振外文翻译资料

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超大金属纳米级狭缝的表面等离子体共振

Haisheng Leong和 Junpeng Guo*

阿拉巴马大学电气和计算机工程系，美国 阿拉巴马州 亨茨维尔 35899

*通讯作者：guoj@uah.edu

2011年9月2日收到；2011年10月25日修改；2011年10月31日接收；

2011年11月3日通知（文章编号153787）；2011年12月14日刊发

超大金属纳米级狭缝设备是一种表面等离子体激元共振光学衍射光栅。光栅由若干金属纳米级狭缝排列组成。金属纳米狭缝，基于光的激发，维持局部表面等离子体共振。纳米缝的超周期导致了表面等离子体共振的带角色散的远近场相干辐射。所以，金属纳米缝的局部表面等离子体共振可以被一个CCD或者线性光电探测器阵列检测到。在这篇论文中，我们用一种超周期金纳米缝线性阵列描述了一种表面等离子体共振光谱传感器，而不是使用一个外部光学分光计。copy; 2011 美国光学学会

OCIS 代码：240.6680, 230.1950, 300.6190。

在1902年，R.W.伍德观察到了在金属反射光栅的衍射光谱中暗而明亮的条纹。这种现象不能用经典的衍射光栅理论来解释 [1]，被称为伍德异常。现在我们知道，伍德异常是由于在光激发的金属光栅线上的局部表面等离子体共振引起的 [2,3]。在过去数十年，由于纳米化技术的发展，金属纳米结构的表面等离子体共振现象得到了深入的研究。其中一个表面等离子体共振纳米结构是周期性金属纳米线阵列 [4-16]。过去，金属纳米缝的表面等离子共振是通过光谱仪研究确认的，而不是通过金属纳米缝反射或透射。在这篇论文中，我们提出并演示了一种新的金属纳米缝结构，这种纳米缝的表面等离子共振可以被特别地确认。这种新的金属纳米缝结构是一种超周期金属纳米缝阵列，它由有限的金纳米缝队列组成。有限数量的纳米缝阵列在纳米缝表面等离子体共振波长以上的大周期内定期排列。这个大周期，被称为“超周期”，这导致当一个照明光通常发生在纳米结构光栅设备上时，会引起局部表面等离子体的相干衍射辐射到远场。光学衍射的角度色散将表面等离子体共振的不同光谱分量与不同的方向相结合。因此，在不使用外部光学光谱仪的情况下，利用线性探测器阵列或CCD的一个衍射指令可以捕获金属纳米缝中的表面等离子体共振谱。

在超周期金属纳米缝阵列中，金属薄片有一个很小的周期（p），它比波长还小。小周期的纳米裂隙被排列成比波长更大的周期(P)。更大的时期被称为“超周期”，可以通过周期性地在一个普通的纳米缝阵列中去除纳米缝而产生。图1展示了一个石英衬底上的超周期金纳米缝装置。小周期是420nm。超周期是2100nm。镀金薄膜的厚度是60nm。因为超周期高于兴趣的波长，所以有高阶衍射。高阶衍射是角色散的。不同的光谱分量在不同的方向传播。因此，CCD光电探测器阵列可以捕捉一阶衍射光谱。

可以使用严格的傅立叶模式扩展技术来计算来自超周期纳米缝隙器件的透射和衍射 [17-18]。图2显示了在垂直于金属纳米裂片的激发极化下法向入射时，超级周期金纳米裂片器件的零阶透射和一阶衍射的计算光谱。在0.612mu;m波长处的尖锐透射峰对应于引起纳米片中增强的零级透射（黑色虚线）的表面等离子体共振。它清楚地表明，一级衍射光谱（红线曲线）中的光谱峰值波长与零级透射光谱峰值的波长相同。在零级透射和0.762mu;m波长的一级衍射中观察到器件中的附加表面等离子体共振。这种共振在规则的周期性金纳米片阵列中不存在。这是由于700nm宽的金光栅线制成的大周期光栅中的表面等离子体共振。

我们用标准的电子束光刻工艺制作超周期金纳米片阵列。在制造过程中，我们首先使用磁控管DC溅射在石英衬底上溅射2nm厚的铬附着层和60nm的金膜层。然后，我们在金膜的顶部旋涂约200nm的电子束抗蚀剂（ZEP 520A）层。使用电子束光刻技术，我们在电子束光刻胶层中写入纳米拼接图案，然后用电子束光刻胶显影剂（ZED N50）对其进行显影。在电子束抗蚀剂图案已经显影之后，我们使用氩离子气体蚀刻将电子束抗蚀剂图案转移到反应离子蚀刻（RIE）机器中的金膜上。在氩离子蚀刻之后，电子束抗蚀剂被去除。图3显示了制备的超周期纳米裂片的扫描电子显微镜（SEM）照片。60纳米厚的金膜中纳米级的宽度为140纳米。小纳秒的周期是420纳米。 大的时间是2100纳米。 图案化的纳米器件的器件面积为300times;300。

我们用宽带相干光源测试设备。 宽带光源是一种超连续谱宽带激光器（来自NKT Photonics，Inc.），波长从500纳米到2400纳米不等。在从衬底垂直入射时，用CCD（Sony ICX098BQ）测量一阶衍射的角色散。入射光的偏振态垂直于金属纳米裂片，因此可以激发局域表面等离子体共振。 图4显示了由CCD成像器从图4（a）所示的空气中的纳米级装置捕获的衍射和角色散光信号，其中甲醇液体在表面上（图4（b）），并且丙酮液体在 表面图4（c）。 水平和垂直数字代表CCD上的像素。

为了获得表面等离子体共振谱，我们需要找出CCD上波长与像素之间的对应关系。对于法向入射的一阶衍射，衍射角与波长（lambda;）和超级周期（P）相关为

. (1)

通过测量已知波长HeNe激光在632.8nm处的衍射角，我们可以校准测量设置以找到CCD上的波长和像素之间的一阶衍射的对应关系。 一旦CCD上的波长与像素之间的对应关系已知，我们就可以绘出在一阶衍射中测得的表面等离子体共振与波长的关系。

我们使用折射率为1.3284和1.3586的甲醇和丙酮测试集成表面等离子体传感器。 图5（a）显示了器件在空气中的零级透射光谱（实线黑色曲线），以及当甲醇（点蓝线）和丙酮（点红线）施加到器件表面时。甲醇测量完成后，甲醇完全蒸发后，再次使用丙酮。图5（a）中的零级透射光谱是使用商用光谱仪（Ocean Optics USB 2000）测量的。图5（b）显示了当我们的超晶格纳米片传感器在空气中（实线黑色线），甲醇溶液被施加在器件表面（点线蓝色曲线）上，并且施加丙酮溶液时测量的一阶衍射光谱 在纳米切片表面（红色虚线）。用于图5中的一阶衍射信号的任意单位对应于由CCD测量的强度水平。可以看出，在一阶衍射中CCD可以捕获波长为0.616mu;m的超周期纳米裂片中的表面等离子体共振。当施加甲醇时，共振波长从空气中的0.616mu;m移动到0.637mu;m，并且稍后施加丙酮时，移动到0.646mu;m。外部光谱仪和我们的集成光谱传感器测量的共振波长的微小差异在外部光谱仪和我们的测量技术的不确定范围内。实验中使用的商用光谱仪的光谱分辨率为2.0nm。综合表面等离子体激元传感器的光谱分辨率为0.7nm，由0.615mu;m波长的超周期光栅的角度色散，CCD上的像素尺寸（5.6mu;m）以及纳米片和纳米片之间的距离（14.5mm）CCD。

我们根据共振波长从甲醇到丙酮的位移来计算集成表面等离子体传感器的灵敏度。我们发现灵敏度为298 nm / RIU，这与大多数表面等离子体传感器的灵敏度相当 [19,20]。重要的是，展示的新型表面等离子体激元传感器不依赖于任何外部光学分光计来测量表面等离子体激元共振。超周期金属纳米片阵列本身支持局部表面等离子体共振并同时进行光谱分析。

综上所述，我们制造了一个超级周期金属纳米片装置，并展示了一种基于超周期金属纳米片装置的新型表面等离子体传感器技术。超周期纳米级器件有两个周期。 亚波长的小周期提供了表面等离子体共振。大周期提供表面等离子体共振的衍射和角色散。衍射的角色散使得能够用CCD测量表面等离子体共振谱。我们已经通过模拟和实验证明，在一阶衍射中测量的表面等离子体激元共振与在零阶透射中测量的结果一致。 这种新型传感器技术将表面等离子体共振传感和共振光谱分析功能集成在一个器件中，非常适用于制造小型和集成化学和生物传感器。

这项工作由美国国家航空航天局（NASA）通过NNX07 AL52A合同和美国国家科学基金会（NSF）通过NSF-0814103资助资助。

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