干涉光刻法制备任意图形微纳结构及其SERS应用的研究

摘要

光的辐射、传输和接收是一种重要的自然现象，伴随着人类社会的发展，对于光的研究一直没有停止过。进入现代社会后，光与物质的相互作用成为现代光学研究的重要部分，尤其是关于电磁波与亚波长尺寸结构相互作用的研究。表面等离子体激元光学(Plasmonics)的发展，给光学研究开拓了广阔的前景。表面等离子体激元(surfaceplasmonpolaritions，SPPs)是在金属界面或者微纳尺寸的金属结构上由于电磁辐射和金属内自由电子相互作用产生的，能实现在亚波长尺寸的近场光学增强效果，所以亚波长尺寸结构的制方法的研究和实现对于现代光学的发展是十分必要的。
　　对于可见光波段(400nm～700nm)来说，亚波长的结构尺寸在几百纳米以下，一般的机加工的方法是无法实现的，所以需要开发其他的方法，目前制备亚波长金属结构的方法主要有:光刻(IL)、离子束刻蚀(FIB)、电子束刻蚀(EBL)等刻蚀的方法加工;但FIB和EBL刻蚀的效率低，很难实现大范围微结构的刻写，如大面积的光栅。而多种多样的光刻技术不仅能实现亚波长结构的刻写并且具有刻写速度快、刻写面积大的优点，克服了机加工方法分辨不足和离子/电子束刻蚀的效率低下的缺点。所以光刻是一种非常有效、简单的微纳结构制备的方法。
　　表面增强拉曼散射(SERS)效应是指在金属良导体表面，比如Au、Ag等贵金属，由于活性基底表面的电磁场增强导致吸附在该活性基底上的待测分子的拉曼散射信号大大增强的现象。关于SRES机理的研究表明:电磁场增强，即表面等离子体共振(Surfaceplasmonresonance，SPR)引起的局域电磁场增强，是表面拉曼散射增强效应最主要的原因;另外导致这种几个数量级的散射信号增强原因还包括化学能的变化等。物理机制和化学机制共同作用下导致了SERS效应，而由于拉曼散射谱只与散射分子有关，与激发光频率等外界条件无关，所以SERS被广泛用于表面分析、吸附界面表面状态研究、生物大小分子的界面取向及构型、构象研究、结构分析等研究。
　　主要工作成果如下:
　　1.利用Nd∶YAG脉冲激光器进行光学刻写来制备光栅，由于脉冲激光的瞬间功率很高，所以刻写过程中曝光时间极短，可以保证刻写的结构边缘的没有毛刺，得到性能更加优越的光栅，并将光刻得到的介质光栅复制为纯金属光栅。
　　2.利用数字微镜设备(DMD)进行光学直写，灵活的刻写图案，包括2D图案和3D结构;并且将DMD和六棱镜复合使用进行多光束干涉光刻，制备了三种样式的点阵，实现传统多光束干涉光刻光路的简化。
　　3.利用数字微镜设备(DMD)直写的方法制备具有不同角度的尖端结构，并制备成金属结构。利用这些具有不同角度的金属尖端定量的研究SERS效果与角度的关系。
　　本论文的创新点和特色如下:
　　1.利用DMD与多面棱镜结合进行光学刻写，利用简洁的光路可以制备样式繁多的点阵结构，实现刻写图案的多样化和刻写光路的简单化;使用DMD进行了无掩膜投影光刻，作为一种高效、简单、廉价的方法，可以制备多种形貌的二维结构和三维结构。
　　2.利用DMD制备的尖端进行了SERS的研究，即针对角度大小对于表面增强拉曼效应的影响进行研究。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 光刻技术简介

1．1．1 接触／接近式光刻

1．1．2 投影式光刻

1．1．3 粒子束刻蚀

1．1．4 激光干涉光刻

1．2 表面等离子体激元(Surface Plasmon Polariton，SPP)简介

1．2．1 表面等离子体激元的基本性质

1．2．2 局域表面等离子体激元的基本性质

1．3 拉曼散射简介

1．4 表面增强拉曼散射(SERS)简介

1．5 本文的主要研究内容

参考文献

第二章 利用干涉光刻制备微纳结构

2．1 干涉光刻原理

2．2 利用脉冲光双光束干涉制备光栅

2．2．1 AR-N7520／4负性光刻胶曝光工艺流程

2．2．2 光刻光路

2．2．3 脉冲光刻写光栅结果

2．2．4 金属光栅的制备

2．3 数字微镜设备(DMD)与六棱镜结合进行点阵结构的刻写

2．3．1 DMD与棱镜干涉光刻的原理简介

2．3．2 利用棱镜进行多光束干涉的强度计算

2．3．3 DMD与棱镜结合光刻实验过程

2．3．4 多光束干涉强度分布的模拟结果

2．4 数字微镜设备(DMD)无掩膜投影光刻

2．4．1 DMD无掩膜投影光刻光路搭建

2．3．2 DMD无掩膜光刻实例

2．5 本章小结

参考文献

第三章 金属尖端角度大小对SERS影响的研究

3．1 表面拉曼散射增强(SERS)的基本原理

3．1．1 SERS物理增强机制

3．1．2 SERS增强因子的计算

3．2 金属尖端角度大小对SERS影响的研究

3．2．1 角度不同金属尖端的制备

3．2．2 不同角度结构SERS谱的测量

3．2．3 利用FDTD模拟不同角度结构SERS谱

3．4 本章小结

参考文献

第四章 论文总结与展望

4．1 主要研究工作

4．2 展望

攻读硕士学位期间发表的工作

论文说明

致谢