纳米金属螺旋轴锥探针

摘要

一种高空间分辨率、高灵敏度、能产生强纵向偏振电场和旋转电场的纳米金属螺旋轴锥探针。该探针由纳米金属锥形结构和螺旋结构复合构成，当入射光（特别是径向偏振光）照射纳米金属螺旋轴锥探针底面时，在底面的边缘激发表面等离激元，其沿着锥表面主要是锥表面的螺旋槽向顶端传播，并不断旋转、压缩和聚焦，在顶端形成纳米聚焦的高局域强场。该强场具有很大的纵向偏振电场分量，而且具有旋转特性。另外通过改变锥形结构和螺旋结构所占的结构参数因子可以实现纳米焦场的调控。本发明可用作扫描近场显微镜、原子力显微镜等扫描探针显微镜以及针尖增强拉曼光谱仪的探针，在纳米传感、纳米成像、纳米光刻和纳米操纵等诸多领域有重要应用价值。

说明书

技术领域

 本发明属于光学和光电技术领域，涉及纳米光电器件、表面等离子体激发、纳米聚焦和矢量场，特别是一种高空间分辨率、高灵敏度、能产生强纵向偏振电场和旋转电场的金属光电探针。

背景技术

产生具有大纵向偏振电场分量的纳米聚焦强场，对于提高纳米光刻、纳米传感、纳米成像和纳米操纵的分辨率和灵敏度至关重要。利用各种纳米金属结构产生和聚焦的表面等离激元，是突破传统光学衍射极限实现强纳米聚焦的有效途径。其中最常用的是纳金属轴锥结构，该结构首先将入射光能量转化为表面的离子体波，然后顺着锥形结构逐渐压缩，同时表面等离子体波的相速度和群速度不断减小，在锥形的尖端转化成高度受限的等离子体模，形成高度局域化的电磁场分布，从而得到纳米聚焦。

另一方面，利用平面金属螺旋结构，可以在远场得到具有旋转特性的矢量场，然而该方法得到的焦斑大小为数百纳米，其空间分辨率有限，难以进一步提高。

发明内容

本发明目的是为产生具有旋转特性、大纵向偏振电场分量的纳米聚焦矢量场，提供一种由纳米金属锥和纳米金属螺旋复合的高空间分辨率和高灵敏度的近场纳米金属螺旋轴锥探针。

本发明提供的高空间分辨率和高灵敏度的近场纳米金属螺旋轴锥探针，由纳米金属锥形结构和螺旋结构复合构成，该探针在柱状坐标系的结构方程                                               为：

其中：和是柱状坐标系下的半径和角度，是预设的高度参数，是锥形结构参数因子，是底面半径，是螺旋结构参数因子。和的大小在纳米量级。

所述的纳米金属螺旋轴锥探针，结合了纳米金属轴锥和三维金属螺旋结构的优势。当入射光（特别是径向偏振光）照射纳米金属螺旋轴锥探针底面时，在底面的边缘激发表面等离激元，由于锥表面的螺旋槽结构，其主要沿着锥表面的螺旋槽向顶端传播，并不断旋转、压缩和聚焦，在顶端形成纳米聚焦的高局域强旋转电场。

所述的纳米金属螺旋轴锥探针，在金属材料和其结构参数确定的条件下，当入射光场为径向偏振光时，在探针顶端形成的纳米聚焦电场强度最大，且纵向偏振分量最大。

所述的纳米金属螺旋轴锥探针，通过改变锥形结构和螺旋结构所占的结构参数因子和可以实现纳米聚焦电场的调控。在确定不变的条件下，当时，能够得到更强的纳米聚焦；当时，纳米聚焦电场纵向分量所占的比例较大。

 

本发明的优点和积极效果：

本发明提供的纳米金属螺旋轴锥探针，当入射光（特别是径向偏振光）照射时，在其底面的边缘激发表面等离激元，由于锥表面的螺旋槽结构，等离激元主要沿着锥表面的螺旋槽向顶端传播，并不断旋转、压缩和聚焦，在顶端形成纳米聚焦的高局域强电场。该聚焦电场不仅具有很大的纵向偏振分量，有利于提高纳米探测和成像的灵敏度，而且具有旋转特性，有利于实现纳米粒子的操纵和筛选。另一方面，通过改变锥形结构和螺旋结构所占的结构参数因子和可以实现纳米聚焦电场的调控。

本发明可用作扫描近场显微镜、原子力显微镜等扫描探针显微镜以及针尖增强拉曼光谱仪的高分辨率和高灵敏度探针。

在纳米传感、纳米成像、纳米光刻和纳米操纵等诸多领域有重要应用价值。

 

附图说明

图1是纳米金属锥和纳金属螺旋复合构成高空间分辨率和高灵敏度的纳米金属螺旋轴锥探针结构图。其中： (a)是纳米金属螺旋轴锥探针的主剖视图；(b)是纳米金属螺旋轴锥探针的右剖视图；(c)是纳米金属螺旋轴锥探针的俯视图。

图2 是当、，即、总高度时，纳米金属螺旋轴锥探针产生的纳米聚焦。其中： (a)和 (b)分别是电场在和平面的强度分布图； (c)是在探针焦点附近所在平面上的强度分布和方向分布图； (d)是在探针焦点处所在平面上的强度分布和方向分布图。

图3是当、，即、总高度时，纳米金属螺旋轴锥探针产生的纳米聚焦。其中： (a)和 (b)分别是电场在和平面的强度分布图； (c)是在探针焦点附近所在平面上的强度分布和方向分布图； (d)是在探针焦点处所在平面上的强度分布和方向分布图。

 

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明提供的高空间分辨率和高灵敏度的近场纳米金属螺旋轴锥探针由纳米金属锥形结构和螺旋结构复合构成，其在柱状坐标系的结构方程为：

其中：和是柱状坐标系下的半径和角度，其中：和是柱状坐标系下的半径和角度，是预设的高度参数， 是锥形结构参数因子，是底面半径，是螺旋结构参数因子，和的大小在纳米量级，和是大于0的实数，一般可以取正整数，并且在数百纳米量级。

本发明中纳米金属螺旋轴锥探针的制作可采用对向靶直流磁控溅射和聚焦离子束刻蚀技术来实现。其具体步骤如下：

（1）    利用对向靶直流磁控溅射方法在石英等玻璃衬底上或硅等半导体衬底上溅射金、银、铝、铜等纳金属膜；

（2）    利用聚焦离子束刻蚀技术在纳金属膜上刻蚀纳米金属螺旋轴锥。

 

具体应用实例1

纳米金属螺旋轴锥探针的具体参数以如下为例：

材料为银，入射波长，此时其相对介电常数，选取，，入射光为径向偏振光，其偏振方向垂直于底面边缘向外。

图2是当、，即、总高度时，纳米金属螺旋轴锥探针产生的纳米聚焦，其电场的最大强度为10985 a.u.，其纵向分量为5980 a.u.，占54.4%。图2中(a)和 (b)分别是电场在和平面的强度分布图； (c)是在探针焦点附近所在平面上的强度分布和方向分布图，其方向如图中箭头所示，围绕焦点处向外旋转分布； (d)是在探针焦点处所在平面上的强度分布和方向分布图，其方向如图中箭头所示，围绕焦点处向外旋转分布，但不再沿径向分布。

 

图3是当、，即、总高度时，纳米金属螺旋轴锥探针产生的纳米聚焦，其电场的最大强度为2087a.u.，其纵向分量为1529 a.u.，占73.2%。图3中(a)和 (b)分别是电场在和平面的强度分布图，其在探针顶端形成强纳米聚焦； (c)是在探针焦点附近所在平面上的强度分布和方向分布图，其方向如图中箭头所示，围绕焦点处向内旋转分布； (d)是在探针焦点处所在平面上的强度分布和方向分布图，其方向如图中箭头所示，围绕焦点处向内旋转分布，不再沿径向分布，已经将初始向外的电场分布旋转为向内。

在纳米金属螺旋轴锥探针底面激发的表面等离激元，沿着其锥表面特别是锥表面的螺旋槽向顶端传播，并不断旋转、压缩和聚焦，在顶端形成纳米聚焦的高局域强旋转电场。当锥形结构所占比例较大时，可以得到更强的纳米聚焦；当螺旋结构所占比例较大时，可以得到更大比例的纵向分量电场，并将初始向外的电场分布旋转为向里。

 

当、，即、总高度时，单纯的纳米金属轴锥探针产生的纳米聚焦，其电场的最大强度为3499a.u.，其纵向分量为1911 a.u.，占54.61%。其产生的电场围绕焦点处向外旋转分布，且仍然沿径向分布。

在高度相同即不变的条件下，当时，纳米金属螺旋轴锥探针比单纯的纳米金属轴锥探针产生的纳米聚焦更强；当时，纳米金属螺旋轴锥探针比单纯的纳米金属轴锥探针产生的纳米聚焦具有更强的旋转效果。