X射线干涉光刻方法制备表面增强拉曼散射基底

刘星 陶旭磊 王春鹏 周晓娟 杨树敏 吴衍青 邰仁忠



X射线干涉光刻方法制备表面增强拉曼散射基底

刘星1,3陶旭磊1,3王春鹏1周晓娟2,3杨树敏1吴衍青1邰仁忠1

1（中国科学院上海应用物理研究所张江园区 上海 201204） 2（中国科学院高能物理研究所 北京100049） 3（中国科学院大学 北京 100049）

表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman Scatting, SERS)是一种非常重要的化合物分析技术，在光谱分析、生物传感等领域有着广泛的应用。理想的SERS基底需要同时具有高灵敏度和高均一性，这就需要制备一种大面积并且周期小于100nm的金属纳米阵列。同步辐射X射线干涉光刻技术具有很高的光刻分辨能力和均匀性，可以制备高密度的金属纳米阵列。利用X射线干涉光刻方法制备了区域面积为320μm×440μm和周期为100nm的二维周期结构，同时保持了高复制性和优异的均匀性。金属纳米阵列作为表面增强拉曼散射基底时可以提供很好的灵敏度和重复性。对于R6G染料，最低探测极限可达10−9mol·L−1。在单片样品内的均匀性良好，相对标准偏差为6.72%。此外，表面拉曼增强基底能重复利用，可进一步降低成本。

X射线干涉光刻，金属纳米阵列，表面增强拉曼散射

表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering, SERS)可以在极低浓度下检测和提供分析分子的指纹信息，在光谱分析、生物传感等领域有着广泛的应用[1‒3]。研究表明，当金属纳米粒子表面的自由电子频率与外加电磁场的频率相同时，金属粒子表面会产生等离子体共振现象[4]。而金属表面等离子共振与吸附在金属纳米结构表面上的分子相互作用，最终导致拉曼信号极大地增强[5]。因此，SERS对增强基底有很大的依赖性。理想的SERS基底需要同时具有高灵敏度和高均一性[6‒8]。这就需要SERS基底上的金属纳米结构同时具有小周期和大面积均匀的特性。常见制备周期性金属纳米结构的方法包括电子束光刻(Electron Beam Lithography, EBL)[9‒11]、聚焦离子束(Focus Ion Beam Lithography, FIB)[12]和激光干涉光刻(Laser Interference Lithography, LIL)[13]。EBL和聚焦离子束FIB具有高分辨率，但它们效率太低，限制了大面积制造的工业应用。 LIL也可以用于在大面积上制备周期性纳米结构且成本低，但是分辨率受限于波长为193nm的激光光源，很难加工小于100 nm的纳米结构。

X射线干涉光刻(X-ray Interference Lithography, XIL)是利用两束或多束相干X光束的干涉条纹对光刻胶进行曝光的新型先进微纳加工技术，可以开展几十甚至十几个纳米周期的纳米结构加工[14‒16]。相对于其他常规的微纳加工方法，XIL有其独特的优势：XIL技术采用同步辐射光源，它具有很高的分辨能力，可以制备小周期结构；XIL技术在样品表面产生干涉条纹，单次曝光便可以达到大面积的周期性图形；XIL技术是并行曝光过程，它还具有可实用化的产率。因此，XIL技术可以获得大面积、高质量的亚100nm的纳米周期结构。

基于上海同步辐射光源软X射线干涉光刻线站(BL08U1B)实验平台，我们采用XIL技术制造周期性的金属纳米结构。在单次曝光中仅在几秒钟内产生320μm×440μm的面积，同时保持了高复制性和优异的均匀性。并进一步采用拉曼光谱测试对该SERS基底的探测极限、重复性和均一性等性能进行了系统研究。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验所用的硅片为100面，购自合肥科晶。实验所用的光刻胶为聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate, PMMA)，显影液为甲基异丁基酮/异丙醇(Methyl Isobutyl Ketone/Isopropanol, MIBK/IPA)，(MIBK):(IPA)=1:3的配合混合溶液。光刻胶和显影液购自美国MicroChem公司。其余实验中所使用的化学试剂包括乙醇、丙酮、R6G染料购自国药集团。

1.2 样品制备

表面增强拉曼散射基底主要是由X射线干涉光刻和电子束蒸镀方法制备。将5cm的硅基片依次放入丙酮和无水酒精中，并以超声波进行表面清洗（超声波频率为50Hz），烘干后用氧气等离子体轰击（氧气流量为15mL·min−1，等离子体功率为100W，去除基底表面的有机物。如图1所示，样品制备主要包括甩胶、X射线干涉曝光、显影、蒸镀、剥离5个过程。1) 甩胶：在清洗后的基底表面上旋涂光刻胶PMMA，并以4000r·min−1的转速旋转，使得光刻胶均匀分布在绝缘层上表面。以180ºC加热90s，蒸发光刻胶中的水分，提高光刻胶的灵敏度；2) X射线干涉曝光：选用图形完全对称的光栅作为分束、干涉叠加元件，用X射线照射，在光刻胶上产生干涉条纹，在绝缘层上形成有序纳米结构的表面，在具体的曝光通量的情况下，使用曝光时间为 13s；3) 显影：用显影液显影去掉光刻胶上被曝光的部分，显影时间为45s，然后再用超纯水清洗基片层，清洗三次后再用氮气枪吹干。以100ºC加热30s，固化曝光后的光刻胶，提高图形分辨率；4) 蒸镀：电子束蒸发沉积30nm厚度的金，放入镀膜设备，调整参数，压力为1×10−5Pa，功率为115 W，沉积速率为0.12nm·s−1；5) 剥离：放入丙酮和无水酒精中超声以去除多余的金属和光刻胶，在氮气环境下干燥，最终获得表面增强拉曼光谱基底。

图1 样品制备过程

1.3 拉曼测试

拉曼光谱是由数值孔径为0.7、物镜倍率为60倍的共聚焦拉曼光谱仪测量。激光光斑尺寸约为1μm2。对于每个样品，在金属纳米阵列处随机选取一个50μm×100μm的区域，以10μm为步长进行5×10共计50个点的区域扫描。10μm为步长是为了在避免测量点太近进而相互影响的前提下，尽可能地把选定区域的信号都测一遍。拉曼测量的单点采集时间为10s。

选用常规的罗丹明6G (R6G)作为探针分子。探测极限实验中，R6G染料的浓度分别为10−6mol·L−1、10−7mol·L−1、10−8mol·L−1、10−9mol·L−1。均匀性和重复性实验中，R6G染料的浓度为10−7mol·L−1。用移液枪滴加10μL测试分子溶液到SERS衬底上并让其自然风干，然后用532nm激光器在2.5mW的功率下进行测试。然后，取出所有样品并用去离子水漂洗，并通过氮气流干燥。漂洗过程确保在纳米金表面R6G染料被完全去除，以便后续重复性测试。

2 结果与讨论

为了全面地表征纳米金属阵列的形貌，图2(a‒c)给出了纳米金属阵列的扫描电镜图；图2(d‒e)是原子力显微镜图，可以得到准确的高度信息。图2(a)是放大200倍率的图片，图2(a)中0处区域代表0级光，此处区域不产生干涉条纹，没有周期性图形；1处区域表示1级衍射光，产生干涉周期性图形。从图2(a)中可以看出，X射线单次曝光区域可达320μm×440μm，而曝光的时间仅为13s。说明X射线干涉光刻具有良好的产率，具有工业化生产纳米结构的前景。X射线干涉光刻具有很高的分辨率，从图2(b‒c)中可以看出，金属纳米阵列的宽度非常均匀，在50 nm左右，周期为100nm。另外，从图2(d‒e)可以看出，阵列的高度为30nm。

图2 样品的扫描电镜图(a‒c)、原子力显微镜图(d)及其剖面线(e)

R6G染料的检测极限是评价SERS衬底性能的重要参数之一[17‒19]。图3是不同浓度的R6G染料在金属纳米阵列基底上的SERS光谱响应。制备出的金纳米阵列作为表面拉曼增强基底对不同浓度 (10−6mol·L−1、10−7mol·L−1、10−8mol·L−1)的 R6G 溶液在779 cm−1、1190 cm−1、1317 cm−1、1367 cm−1、1513 cm−1和1655cm−1处都有很强的拉曼信号。事实上，即使在10−9mol·L−1的低浓度下，R6G在779cm−1、1367 cm−1和1655cm−1的拉曼特征峰仍然能被明显区分。这显示了应用X射线干涉光刻制备的SERS基底具有良好的灵敏度。

图3 不同浓度R6G的拉曼光谱

均匀性也是SERS基底的重要性能[20‒22]。为了评估金属纳米阵列SERS性能的均匀性，我们在SERS基底上100μm×50μm的面积内随机选择50个检测位置测试浓度为10−7mol·L−1的R6G染料的拉曼光谱。50个位置均提高了R6G拉曼信号的强度。图4表明这些R6G染料在1367cm−1处拉曼信号的均匀性。此外，还计算了拉曼强度的相对标准偏差(Relative Standard Deviation, RSD)，在1367cm−1处的RSD为6.72%，远小于20%[23]，进一步表明所制备的SERS基底具有优异的均匀性。

图4 50个不同位置的拉曼强度

SERS传感器还需要具有很好的重复性[24‒25]。此方法制备出的SERS增强基底重复使用10次，每次对10−7mol·L−1浓度R6G的拉曼信号中主要峰位1367cm−1的强度信息如图5所示，从图5中可知，制备出的纳米金属阵列作为表面拉曼增强基底具有很好的重复性。所制备的SERS基底具有很好的稳定性，并且可重复利用，可进一步降低成本。

图5 SERS衬底的可再现性示意图(a)和重复使用10次的拉曼强度(b)

3 结语

利用同步辐射X射线干涉光刻方法快速制备具有大面积、小周期的纳米金属阵列，并将其应用于基于表面增强拉曼散射的分子探测领域。结果表明，总区域达320μm×440μm、周期为100nm的纳米金属阵列被制备，而曝光的时间仅为13s。说明X射线干涉光刻具有良好的分辨率和产率，具有工业化生产纳米结构的前景。本研究中，表面增强拉曼散射基底的最低探测极限可达到10−9mol·L−1，相对标准偏差为6.72%。该表面增强拉曼散射基底具有低的探测极限、较高的重复性和一致性，有望实现商业化应用。

致谢 感谢上海同步辐射装置08U1B X射线干涉光刻线站工作人员在实验中给予的帮助。

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Fabrication of surface enhanced Raman scattering substrate by X-ray interference lithography

LIU Xing1,3TAO Xulei1,3WANG Chunpeng1ZHOU Xiaojuan2,3YANG Shumin1WU Yanqing1TAI Renzhong1

1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Zhangjiang Campus, Shanghai 201204, China) 2(Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China) 3(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: Surface enhanced Raman scattering (SERS) has become an important molecular detection technology in the field of spectral analysis and biosensing during the last several decades. SERS substrates are usually fabricated by electron beam lithography (EBL), focus ion beam lithography (FIB), nanoimprint lithography (NIL), scanning probe lithography (SPL) and laser interference lithography (LIL). However, it is still a challenge to fabricate arrays with large area, small period and high output. Purpose: This study aims to rapidly fabricate a SERS substrate with large area and sub 100-nm pitch. Methods: The SERS substrates were prepared by using X-ray interference lithography (XIL), then scanning electron microscope (SEM), atomic force microscope (AFM) and Raman spectrum were employed to examine their characteristics. Results:The detective limitation of SERS substrate can be as low to 10−9mol·L−1. The relative standard deviations are achieved to be less than 10%. Conclusion: The SERS substrate with the advantages of sensitivity and reproductive provides a promising approach for future SERS applications.

X-ray interference lithography, Metallic nano array, Surface enhanced Raman scattering

TL99

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.050101

国家杰出青年科学基金(No.11225527)、国家自然科学基金(No.11205232、No.11575283)资助

刘星，男，1990年出生，2012年毕业于中国计量大学，现为博士研究生，光学专业

邰仁忠，E-mail: tairenzhong@sinap.ac.cn

2017-03-07，

2017-03-22

Support by National Outstanding Youth Science Foundation (No.11225527), National Natural Science Foundation of China (No.11205232, No.11575283)

LIU Xing, male, born in 1990, graduated from China Metrology University in 2012, doctoral student, major in optics

TAI Renzhong, E-mail: tairenzhong@sinap.ac.cn

2017-03-07, accepted date: 2017-03-22