六方周期Au孔洞结构制备与表征方法研究

杨润

摘 要：表面等離激元器件的应用极大扩展了传统光学器件不能达到的极限，为了满足对表面等离激元器件的需求，我们需要探索出能够大面积、低成本制备表面等离激元器件的方法。本文利用聚苯乙烯（Polystyrene，PS）纳米球自组装方法，在多层介质材料基底上制备了六方周期Au纳米孔洞结构，实现了低成本、大面积的制备表面等离激元器件。所制备的表面等离激元Au纳米孔洞器件可以应用在表面增强拉曼光谱研究、生物医学传感、超限分辨成像等领域。

关键词：表面等离激元;六方周期结构，自组装

近二十年来，各种纳米制备技术的快速发展使得科研人员能够制备更加精细的纳米结构，从而在亚波长尺度上研究光与物质的相互作用[1]。将入射光局域在亚波长尺度的金属表面，并与金属表面自由电子发生耦合产生沿表面传播的电磁波的现象既为表面等离激元共振（Surface Plasmon Resonances，SPR）[2]。与传统的光学器件不同，表面等离激元能够突破衍射极限使得传输电磁波达到无与伦比的增强和聚焦效果。当前，人们利用表面等离激元的特殊性质制备了包括表面增强荧光检测仪、生物蛋白检测仪、超分辨成像仪等[3-5]。

目前，表面等离激元器件制备大多采用干涉光刻、离子束刻蚀、电子束曝光[6]，这些制备方法虽然制备精度能到纳米级，但这些制备技术需要用到高端制造设备，采用以上方法制备纳米器件成本高、效率低，不适合工业化大面积生产。本文采用PS小球自组装技术，在Ce：YIG/YIG/Si三层介质基底上制备了周期为550nm，孔洞直径为340nm左右的六方周期Au孔洞结构，并利用SEM和AFM表征样品表面形貌。

1 Au纳米孔洞结构制备

利用脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition，PLD）技术在双抛Si基片表面沉积一层大约50nm厚的YIG材料，利用快速退火使得YIG结晶;然后再利用PLD在YIG种子层上沉积一层约65nm的Ce：YIG材料。如图1所示，Ce：YIG/YIG/Si三层介质基底制备完成后，经过以下步骤制备六方周期Au纳米孔洞结构：

首先，在Ce：YIG/YIG/Si三层介质基底上排布直径约为550nm的PS纳米球，再利用氧等离子体刻蚀PS小球，通过控制氧等离子体刻蚀时间和刻蚀速率得到直径约为340nm的六方周期纳米球阵列。然后，利用热蒸发技术，沉积厚度大约为40nm的Au。最后，利用甲苯溶液洗去PS纳米球，得到六方周期Au孔洞结构。

2 Au纳米孔洞结构SEM表征

图2显示了利用PS纳米球自组装法制备的六方周期Au孔洞结构表面SEM图，从图中可以看到制备的纳米孔洞结构表面均匀，且实现大面积制备，孔洞直径直径大约在340nm，符合最初的设计尺寸。利用PS小球自组装法得到的表面等离激元器件，具有大面积制备、成本低的特点，适合应用于工业化生产。

3 Au纳米孔洞结构AFM表征

图3显示了六方周期Au纳米孔洞结构的AFM图，从图中可以看出，在2微米的范围内Au孔洞结构深度大约为40nm，同时可以观察到Au孔表面较为光滑，粗糙度低，说明利用自组装法得到的六方周期孔洞质量较高。

4 结论

本文利用PS小球自组装法在Ce：YIG/YIG/Si三层介质基底上制备了表面均匀整洁的六方周期Au纳米孔洞结构，通过控制氧等离子体刻蚀PS小球的速率和时间可以制备出不同直径的六方周期性孔洞结构，采用该方法可以大面积低成本的制备出高质量的表面等离激元器件，为实现工业化生产奠定基础。

参考文献：

[1]W.L.Barnes，A.Dereux and T.W.Ebbesen.Surface plasmon subwavelength optics，Nature[J].2003，424：824-830.

[2]C.Genet and T.W.Ebbesen.Light in tiny holes[J].Nature，2007，445：39-46.

[3]T.A.Klar，S.Jakobs，M.Dyba，et al.Fluorescence microscopy with diffraction resolution barrier broken by stimulated emission[J].Proc Natl Acad Sci USA，2000，97：8206-8210.

[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.

[5]A.N.Ivanov，Yu.I.Kuzin，G.A.Evtugyn.SPR sensor based on polyelectrolyte complexes with DNA inclusion[J].Sensors and Actuators B：Chemical，2019，281：574-581.

[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）.