CN100570756C - 一种金属膜及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属膜，由能够产生表面等离子谐振的金属材料制成；所述金属膜包括：上表面，所述上表面由中央缺陷和多个上表面周期结构组成，下表面，所述下表面包括中央平台和多个下表面周期结构，所述上表面和所述下表面之间的最大厚度为50～150nm。通过将本发明的金属膜制备在透明基片上作用于入射光场，或制备在单色光源的发光面上形成有源器件，入射光通过金属膜的上下表面的结构，可以得到一个空间局域的纳米尺度的光源，光斑尺寸超过衍射极限，光场强度大大高于入射光场强度，光场分布形成发散角小、旁瓣弱的纳米光柱，成为近场纳米光束。

Description

一种金属膜及其制造方法

技术领域

本发明涉及近场光学、纳米光学技术领域，特别是涉及一种金属膜及其制造方法。

背景技术

获取纳米尺度的光源是近场光学成像、近场探测与操作、近场光谱、纳米光刻以及近场光存储等基于近场光学原理的仪器、系统中的关键技术之一。近十年来具有纳米孔径的镀金属膜光纤探针已被广泛使用，但是，光纤探针的通光效率很低，通常为10^-4～10^-6，并且易受污染和损坏。为了克服这些问题提出了虚拟光探针的概念，是通过隐失场干涉和带小孔的掩模产生约束光场，作为近场光源。这种光源避免了材料型探针易碎易污染的问题，其通光效率比光纤探针高10²～10₄倍。但是其光场强度仍然不能满足实际使用的要求，并且在约束光场的主峰周围存在高阶模式(旁瓣)，其强度在主峰强度的50％以上，对主峰的工作造成了很大影响。为了改善光束特性，在隐失场干涉的介质表面制备等离子晶体结构，通过合理选择等离子晶体的几何参数，可有效增强主峰的光场强度，抑制旁瓣。但是在已有的方案中，表面等离子体波通常由以表面等离子谐振角入射的光束所激发，对于入射角度的要求较严格，并且不便与有源器件直接集成。

发明内容

本发明的目的是提供一种能产生高强度、旁瓣低的纳米光束、并且可以应用于任意入射角度的亚波长尺度金属膜结构。特别是提供一种金属膜及其制造方法。

为达到上述目的，一方面，本发明的技术方案提供一种金属膜，所述金属膜由能够产生表面等离子谐振的金属材料制成，所述金属膜层包括：上表面，所述上表面由位于所述上表面中央的中央缺陷和以所述中央缺陷为中心，周期性排列的多个上表面周期结构，所述上表面周期结构由第一凹槽和第一凸起组成，所述中央缺陷和上表面周期结构之间包括第二凹槽；下表面，所述下表面由位于所述下表面中央的平台状中央平台和以所述中央平台为中心，周期性排列的多个下表面周期结构，所述下表面周期结构由第三凹槽和第二凸起组成；所述上表面和所述下表面之间的厚度为50～150nm。

其中，所述金属材料为金或银。

其中，所述第一凹槽与第一凸起组成的上表面周期结构的宽度a为所述金属材料对应的表面等离子波长λ_SP的一半，第一凹槽深度为10～30nm；所述中央缺陷的长度为0.5a的奇数倍，所述中央缺陷的纵剖面轮廓为矩形、正弦形、三角形、梯形、半圆形、半椭圆、双曲线、抛物线中的一种。

其中，所述第二凹槽的深度和宽度均大于所述第一凹槽。

其中，所述第三凹槽和第二凸起组成的下表面周期结构的宽度为λ_SP，第三凹槽的深度为10～50nm；所述中央平台的长度为1.5λ_SP。

其中，所述金属膜上、下表面的俯视面形状为阵列结构或轴对称结构；所述金属膜上、下表面的纵剖面形状为矩形或正弦形。

其中，所述阵列结构具体为平行槽结构或二维点阵结构。

其中，所述轴对称结构具体为同心圆环结构或同心方框结构。

另一方面，本发明的技术方案提供一种金属膜的制造方法，包括以下步骤：在透明基片或单色光源的发光面上制备一层介质膜层；在所述介质膜表面涂上一层光刻胶，通过纳米加工方法在所述光刻胶表面加工出下表面结构，所述光刻胶显影后，用CF₄将光刻胶的图案干刻到所述介质膜层上，在所述介质膜层上利用蒸镀或溅射方法加工出金属膜，所述金属膜的膜厚与所述介质膜上的结构的深度相同，然后用丙酮去掉光刻胶，完成金属膜下表面结构的制备；在制备出下表面结构的上述金属膜表面镀上一层与上述金属膜金属材料相同的金属薄膜，通过所述纳米加工方法制作出上表面结构，得到双面亚波长结构金属膜。

其中，所述纳米加工方法包括以下方法的一种或几种：电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、化学刻蚀、光刻写。

上述技术方案仅是本发明的一个优选技术方案，具有如下优点：通过将本发明的金属膜制备在透明基片作用于入射光场，或制备在单色光源发光面上形成有源器件，入射光通过金属膜的上下表面的结构，可以得到一个光场强度大大高于入射光场强度的光源，光斑尺寸达到纳米级，超过了衍射极限，在该纳米光束的近场范围内(50～600nm)，可以实现近场成像、近场光学数据存储、近场光谱激发与探测，以及近场光刻等操作。同时减小了旁瓣杂光的干扰，并且入射光可以以任意角度入射。

附图说明

图1为双面亚波长结构金属膜激发和控制表面等离子体波的原理示意图；

图2为本实施例一的双面正弦结构金属膜的纵剖面示意图；

图3为本实施例一的膜层表面z＝0处磁场强度沿y方向变化曲线图；

图4a为本实施例二的制作在垂直腔表面发射半导体激光器发光面上的双面矩形结构金属膜的纵剖面示意图；

图4b为本实施例二的制作在垂直腔表面发射半导体激光器发光面上的双面矩形结构金属膜的俯视面示意图；

图5a为本实施例二的膜层表面上方不同距离处磁场强度沿y方向变化曲线图；

图5b为本实施例二的膜层表面上方不同距离处磁场强度沿x方向变化曲线图；

图6为本实施例三的制作在激光二极管发光面上的双面正弦-矩形结构金属膜的纵剖面示意图。

图7为本实施例三的膜层表面上方不同距离处磁场强度沿y方向变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明设计了一种能够产生近场纳米光束的双面亚波长结构金属膜，在一层金属膜的上下表面上制作具有不同几何参数的亚波长结构，其中金属膜的下表面由下表面周期结构和中央平台组成，用于激发在金属膜表面相向传播的表面等离子体波；金属膜的上表面结构为等离子晶体谐振腔结构，用于增强干涉场中的零阶模式，抑制高阶模式，从而形成空间局域的纳米尺度近场光源。

本发明所述的金属膜厚度为50～150nm，金属材料为金或银等能够产生表面等离子谐振的金属材料。金属材料和入射光波长一旦选定，其与空气的交界面上的表面等离子波的波长λ_SP也就固定下来，该波长可以通过下面的公式计算得到，公式中金属的介电系数可通过手册查询。

本发明所述的金属膜的上表面结构为表面等离子晶体谐振腔结构，由位于上表面中央的中央缺陷和多个以所述中央缺陷为中心周期性排列的由第一凹槽和第一凸起组成的上表面周期结构组成。位于上、下表面中央的结构，既可以是凸起，也可以是凹陷。下表面中央的结构通常是平台状的，因此用“中央平台”来表述，包括“凸起”和“凹陷”；而上表面中央的结构，不仅可以是平台状的，还可以是正弦、三角形、梯形、半圆形、半椭圆、双曲线、抛物线等形状，因此用“中央缺陷”来表述，“缺陷”的意思是指“破坏了周期性的结构”。上表面周期结构即为表面等离子晶体，其俯视面形状可以是阵列结构，如平行槽、二维点阵等，也可以为轴对称结构，如同心圆环或同心方框等，可以与下表面结构的形状相同，也可以不同；中央缺陷的俯视面形状为圆形、方形或菱形中的一种。表面等离子晶体的纵剖面轮廓形状为矩形或正弦中的一种，周期(即第一凹槽与第一凸起组成的上表面周期结构的宽度a)为表面等离子波长的一半，第一凹槽深度为10～30nm；中央缺陷的纵剖面轮廓为矩形、正弦、三角形、梯形、半圆形、半椭圆、双曲线或抛物线中的一种，长度为表面等离子晶体周期的一半的奇数倍，即0.5a、1.5a、2.5a......。中央缺陷周围相邻槽(即第二凹槽)的深度大于表面等离子晶体的第一凹槽的深度，其宽度大于表面等离子晶体第一凹槽的的宽度。金属膜的下表面结构由多个下表面周期结构和中央平台组成。下表面周期结构由以中央平台为中心周期性排列，由第三凹槽和第二凸起组成。其俯视面形状可以是阵列结构，如平行槽、二维点阵等，也可以是轴对称结构，如同心圆环或同心方框等；纵剖面轮廓为矩形或正弦中的一种。下表面周期结构的周期(即为第三凹槽和第二凸起组成的下表面周期结构的宽度)与金属-空气界面的表面等离子波长相等，第三凹槽深度为10～50nm；中央平台长度为表面等离子波长的1.5倍。

本发明所述的膜层可作为独立器件制备在透明基片上，由入射光照射产生近场纳米光束，入射光为线偏振或径向偏振、入射角为任意角度的平面波或高斯光束；也可集成在单色光源的发光面上，形成能够产生近场纳米光束的有源器件。单色光源为激光二极管、半导体激光器、垂直腔表面发射激光器、光纤探针等有源器件。

本发明的工作原理是基于下表面周期结构激发表面等离子体波、并受到上表面等离子晶体的控制作用，具体表现为在金属和空气界面上激发的表面等离子体波在表面等离子晶体中不能在平面内传播，而只能局域在其中的谐振腔里。这种激发与控制的产生主要在于：光束入射到金属膜的下表面，将受到该结构中下表面周期结构的衍射，当满足如下匹配条件时，衍射分量将在金属-空气界面上激发出沿表面传播的等离子体波，其波长为λ_SP。

$\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\left({\mathrm{\ϵ}}_d\right)}^{1/2}\sin \mathrm{\θ}\±m\frac{2\mathrm{\π}}{D}=\mathrm{Re}\left\{\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{SP}}}\right\}=\mathrm{Re}\left\{\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\ω}\right)}{{\mathrm{\ϵ}}_0+\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\ω}\right)}\right)}^{1/2}\right\}$

其中ε_d、ε₀、ε(ω)分别为介质、空气和金属的介电系数。该系数均可以通过手册查询；θ为光束入射角，垂直入射情况下θ＝0；λ为入射光波长，λ_SP为金属-空气界面上的表面等离子体波波长，D为下表面周期结构周期(即为第三凹槽和第二凸起组成的下表面周期结构的宽度)，m为整数，取值为±1，±2，±3...，Re表示取实部。下表面周期结构激发出沿金属膜表面相向传播的表面等离子体波，在中央平台处产生干涉，形成干涉模式。在金属膜上表面制备表面等离子晶体谐振腔结构，作用于上述的表面等离子体波干涉场。其中表面等离子晶体结构的周期为表面等离子体波波长的一半(即λ_SP/2)，从而对表面等离子体波产生布拉格(Bragg)反射，使表面等离子体波在上表面中不能传播；而表面等离子晶体结构中的中央缺陷则使受到抑制的表面等离子体波产生局域谐振，从而形成高强度、低发散角、低旁瓣的近场纳米约束光场。其原理如图1所示，其中1为对称轴，2为透明基底(介电系数ε_d＞1)，3为金属膜(介电系数ε(ω)随入射光波长而不同，其对应关系可通过手册查询)，4为空气层(介电系数ε₀＝1)，5为金属膜的带有中央平台的下表面周期结构，6为金属膜上表面的等离子晶体谐振腔结构，7为垂直入射的单色光，8、9为金属膜的下表面周期结构激发出的两束沿金属膜表面相向传播的表面等离子体波，10为金属膜上表面的光场分布，其光场被局域在表面等离子晶体谐振腔中，场强高于入射光场的强度，光斑尺寸在一定范围内可保持不变。这种约束光场的分布主要受系统的材料参数和亚波长金属结构的几何参数的影响。

双面亚波长结构金属膜激发和控制表面等离子体波的模型如图1所示。表面等离子体波由金属膜的下表面周期结构激发，在下表面的中央平台处形成干涉场，并受到金属膜上表面的表面等离子晶体谐振腔作用。对于上表面等离子晶体表面的近场光场分布，可通过时域有限差分方法对图1的模型进行仿真计算获得。计算中采用单色线偏振光作为激发光源，根据激发光的波长以及金属和介质的材料参数可以计算出金属-空气界面的表面等离子体波的波长，从而确定金属膜的下表面周期结构周期、中央平台的几何参数，以及金属膜上表面的等离子晶体周期和谐振腔的几何参数。双面亚波长结构金属膜的纵截面形状如图1中所示。

本发明所述的双面亚波长结构金属膜可按如下步骤制备：

1首先选择制备基底，基底可以是透明基片，如玻璃片、石英片等，也可以是单色光源的发光面。

2在基底上通过旋转涂膜(即甩胶)或真空蒸镀、磁控溅射等镀膜方法制备一层介质膜层，介质为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，俗称有机玻璃)、SiO₂、MgF₂等折射率略小于基底折射率的材料。

3在介质膜表面涂上一层光刻胶，然后通过电子束刻蚀、光刻等纳米加工方法在光刻胶表面加工出所需的下表面结构，光刻胶显影以后，可用CF₄将光刻胶的图案干刻到下面的介质膜上；若采用聚焦离子束刻蚀的纳米加工方法，则在介质膜表面盖上一层掩膜板，然后通过掩膜板直接在介质膜上刻蚀出所需的下表面结构。如果基底是透明基片的话，也可以不须制备介质膜层，直接用上述纳米加工方法在基片表面制作出所需结构即可。

4在加工出结构的样品表面上蒸镀或溅射出所需的金属膜，膜厚与介质膜上的结构的深度相同，然后去掉掩膜板或用丙酮去掉光刻胶，从而完成金属薄膜下表面结构的制备。

5在上述膜层的表面镀上一层与上述金属材料相同、特定厚度的金属薄膜。

6最后在金属薄膜的表面再通过上述纳米加工方法制作出上表面结构，从而完成双面亚波长结构金属膜的制备。述纳米加工方法包括电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、化学刻蚀、光刻写，可以采用其中一种方法，也可以几种方法结合使用。

实施例一为双面正弦亚波长结构金属膜。入射光波长λ为470nm，光场强度分布为高斯分布，磁场方向垂直于入射面。双面亚波长结构金属膜的示意图如图2所示，其中金属膜下表面为空气，折射率为n＝1；金属膜的材料为银，厚度为90nm；11、12为银膜的下表面周期结构，其纵剖面轮廓为正弦曲线，波峰即为第二凸起，波谷为第三凹槽，下表面周期结构周期(这里的周期是指第三凹槽和第二凸起组成的下表面周期结构的宽度)与Ag-空气界面的表面等离子体波波长相等，深度为50nm；13为银膜下表面的中央平台，其长度为表面等离子体波长的1.5倍；14、15为银膜的上表面周期结构，其纵剖面轮廓也是正弦曲线，波峰即为第一凸起，波谷为第一凹槽，周期(这里的周期是指第一凹槽和第一凸起组成的上表面周期结构的宽度)为Ag-空气界面的表面等离子体波波长的0.5倍，深度为10nm；16为银膜上表面的中央缺陷，其长度为表面等离子晶体周期的0.5倍；17为中央缺陷两侧的槽，即第二凹槽，其宽度略大于第一凹槽的宽度，深度为30nm。入射激光垂直照射到银膜下表面上，受到下表面周期结构的衍射，在银膜上表面激发出两束相向传播的表面等离子体波，在银膜下表面的中央平台处干涉形成等离子干涉场。由于在银膜上表面刻有表面等离子晶体谐振腔结构，并且等离子干涉场的零级干涉峰(主峰)恰好处于谐振腔(即中央缺陷)中，因此主峰得到局域增强，而高阶干涉模式(旁瓣)则受到表面等离子晶体的抑制作用而减弱。采用图1所示的计算模型，利用时域有限差分方法进行模拟计算，可获得yz截面的光场磁场强度分布。图3为z＝0处磁场强度沿y方向变化曲线图，可以明显看到：光场中央产生了一个主峰，其最大强度为入射电场强度的93倍；主峰的半峰值宽度为115nm(大约为0.24λ)，超过衍射极限(0.5λ)；主峰周围的高阶模式(即旁瓣)强度被抑制到40％以下。这些特性使得光场分布形成强度高、发散角小、旁瓣弱的纳米光柱，成为近场纳米光束。

实施例二为双面矩形亚波长结构金属膜，制备在垂直腔表面发射半导体激光器的发光面上。入射光波长λ为650nm，光场强度分布近似为均匀分布，磁场方向垂直于入射面。双面亚波长结构金属膜的纵剖面轮廓和俯视面形状如图4所示，其中金属膜下表面为一层PMMA膜，折射率为n＝1.485，膜层厚度为150nm；金属膜的材料为金，厚度为50nm；18、19为金膜的下表面周期结构，其纵剖面轮廓为矩形，向下凸出的部分即为第二凸起，凹进去的部分为第三凹槽，俯视面形状为同心圆环，下表面周期结构周期(这里的周期是指第三凹槽和第二凸起组成的下表面周期结构的宽度)与Au-空气界面的表面等离子体波波长相等，第三凹槽的深度为20nm；20为金膜下表面的中央平台，其直径为表面等离子体波波长的1.5倍；21、22为金膜的上表面周期结构，其纵剖面轮廓也是矩形，向下凸出的部分即为第一凸起，凹进去的部分为第一凹槽，俯视面形状也为同心圆环，周期(这里的周期是指第一凹槽和第一凸起组成的上表面周期结构的宽度)为Au-空气界面的表面等离子体波波长的0.5倍，第一凹槽的深度为30nm；23为金膜上表面的中央缺陷，其纵剖面轮廓为矩形，俯视面形状为圆形，直径为表面表面等离子晶体周期的1.5倍；24为中央缺陷周围的圆环槽，即第二凹槽，其内外径距离为等离子晶体周期的0.6倍，深度为50nm；25为面发射半导体激光器。激光器发出的激光垂直照射到金膜下表面上，受到下表面周期结构的衍射，在金膜上表面激发出向圆环中心会聚的表面等离子体波，在金膜下表面的中央平台处干涉形成等离子干涉场，干涉场受到金膜上表面的表面等离子晶体谐振腔结构的强烈作用，从而使零级干涉峰得到局域增强，而高阶干涉模式则受到表面等离子晶体的抑制作用而减弱。yz、xz截面的光场磁场强度的分布，分别如图5a、图5b所示，可以明显看到：光场沿x轴和z轴呈轴对称分布，这是由于入射光偏振方向沿y轴；光场中央产生了一个主峰，其磁场强度为入射场强度的184倍；主峰沿y轴的半峰值宽度为231nm(约等于0.36λ)，超过衍射极限(0.5λ)；主峰周围的高阶模式(即旁瓣)强度被抑制到35％以下。在该纳米光束的近场范围内(50～600nm)，可以实现近场成像、近场光学数据存储、近场光谱激发与探测，以及近场光刻等操作。

实施例三的双面正弦-矩形亚波长结构金属膜，制备在激光二极管的发光面上，如图6所示。其中26为半导体激光器，波长为532nm；金属膜下表面为一层SiO₂膜，折射率为n＝1.456，厚度为200nm；金属膜的材料为金，厚度为150nm；下表面周期结构的深度为50nm(第三凹槽的深度)，形状与其它参数比例与实施例二中的下表面结构相同；金膜上表面为表面等离子晶体结构，深度也为50nm(第一凹槽的深度)，中央缺陷两侧的槽(即第二凹槽)深度为100nm，形状与其它参数比例与实施例一中的上表面结构相同。图7为yz截面的光场磁场强度的分布，中央主峰强度为入射电场强度的204倍，半峰值宽度为176nm(大约为0.33λ)，超过衍射极限(0.5λ)，主峰周围的高阶模式(即旁瓣)强度可被抑制到13％以下。

本发明所述的产生近场纳米光束的双面亚波长结构金属膜，可获得光场强度为入射光场强度的10²量级；其光斑尺寸可达到0.24λ，超过衍射极限；光束发散角在波长深度空间范围内保持在4°左右，将工作距离从探针形近场光源的10～50nm扩展到50～600nm；高阶模式强度可抑制到35％以下，减小了旁瓣杂光的干扰。本发明可作为近场纳米光学有源探针用于纳米尺度近场光学成像、超分辨光学存储、局域光谱激发、纳米光刻以及近场光学操作等领域。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种金属膜，其特征在于，所述金属膜由能够产生表面等离子谐振的金属材料制成，包括：

上表面，所述上表面由位于所述上表面中央的中央缺陷和以所述中央缺陷为中心，周期性排列的多个上表面周期结构，所述上表面周期结构由第一凹槽和第一凸起组成，所述中央缺陷和上表面周期结构之间包括第二凹槽；

下表面，所述下表面由位于所述下表面中央的平台状中央平台和以所述中央平台为中心，周期性排列的多个下表面周期结构，所述下表面周期结构由第三凹槽和第二凸起组成；

所述上表面和所述下表面之间的厚度为50～150nm。

2、如权利要求1所述的金属膜，其特征在于，所述金属材料为金或银。

3、如权利要求2所述的金属膜，其特征在于，所述第一凹槽和第一凸起组成的上表面周期结构的宽度a为所述金属材料与空气界面的表面等离子波长λ_SP的一半，第一凹槽深度为10～30nm；所述中央缺陷的长度为0.5a的奇数倍，所述中央缺陷的纵剖面轮廓为矩形、正弦形、三角形、梯形、半圆形、半椭圆、双曲线、抛物线中的一种。

4、如权利要求3所述的金属膜，其特征在于，所述第二凹槽的深度和宽度均大于所述第一凹槽。

5、如权利要求4所述的金属膜，其特征在于，所述第三凹槽和第二凸起组成的下表面周期结构的宽度为λ_SP，第三凹槽深度为10～50nm；所述中央平台的长度为1.5λ_SP。

6、如权利要求5所述的金属膜，其特征在于，所述金属膜上、下表面的俯视面形状为阵列结构或轴对称结构；所述金属膜上、下表面的纵剖面形状为矩形或正弦形。

7、如权利要求6所述的金属膜，其特征在于，所述阵列结构具体为平行槽结构或二维点阵结构。

8、如权利要求6所述的金属膜，其特征在于，所述轴对称结构具体为同心圆环结构或同心方框结构。

9、一种权利要求1所述的金属膜的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

在透明基片或单色光源的发光面上制备一层介质膜层；

在所述介质膜表面涂上一层光刻胶，通过纳米加工方法在所述光刻胶表面加工出下表面结构，所述光刻胶显影后，用CF₄将光刻胶的图案干刻到所述介质膜层上，在所述介质膜层上利用蒸镀或溅射方法加工出金属膜，所述金属膜的膜厚与所述介质膜上的结构的深度相同，然后用丙酮去掉光刻胶，完成金属膜下表面结构的制备；

在制备出下表面结构的上述金属膜表面镀上一层与上述金属膜金属材料相同的金属薄膜，通过所述纳米加工方法制作出上表面结构，得到双面亚波长结构金属膜。

10、如权利要求9所述的金属膜的制造方法，其特征在于，所述纳米加工方法包括以下方法的一种或几种：电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、化学刻蚀、光刻写。

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