CN102947681A - 用于表面增强发光的自动布置、发光增强器件 - Google Patents

用于表面增强发光的自动布置、发光增强器件 Download PDF

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    • G01N21/648—Specially adapted constructive features of fluorimeters using evanescent coupling or surface plasmon coupling for the excitation of fluorescence

Abstract

一种用于表面增强发光的自动布置、发光增强器件101。用于表面增强发光的自动布置、发光增强器件101包括衬底110以及多个柔性柱状结构120。多个120中的柔性柱状结构120-1包括柔性柱120-1A以及被耦合到柔性柱120-1A的顶点120-1C的金属帽120-1B。至少柔性柱状结构120-1和第二柔性柱状结构120-2被配置成自动布置成具有被设置在各自柔性柱状结构120-1和第二柔性柱状结构120-2的至少金属帽120-1B和第二金属帽120-2B之间的至少一个分子220-1的紧密封装配置。

Description

用于表面增强发光的自动布置、发光增强器件
相关申请
本申请涉及由Zhiyong Li等人在2010年4月20日提交的题为“MULTI-PILLAR STRUCTURE FOR MOLECULAR ANALYSIS”的美国专利申请序号，其具有代理人档案号200904810-1，并转让给本发明的受让人。
技术领域
本发明的实施例一般涉及用于表面增强发光的器件。
背景技术
诸如表面增强拉曼光谱（SERS）的表面增强发光技术已经作为用于分析无机材料和复杂有机分子的结构的前沿技术而出现。例如，在SERS中，从事于拉曼光谱应用的科学家已经发现通过用金属薄层来装饰稍后分子在其上面被吸收的表面，其中表面等离子体激元（surface plasmons）具有在用来激励此类分子的电磁辐射范围中的频率且其中表面等离子体激元具有在由此类分子发射的电磁辐射范围中的频率，可以增强此类分子的拉曼光谱的强度。
另外，利用光谱技术进行分子结构分析的光谱学工作者对改善其光谱技术的灵敏度具有持续的兴趣。改善的灵敏度不仅是缩短分析时间所期望的，而且改善的灵敏度能够提供先前不可实现的结果。例如，改善的灵敏度直接与用于先前未检测到的分子组分的较低可检测性极限有关。因此，激发了从事于表面增强发光技术的应用的科学家改善表面增强发光技术的灵敏度，例如SERS，以便检测分子和这些分子中的一半的光谱特征。
附图说明
被结合到本说明书中并构成其一部分的附图说明了本发明的实施例并连同描述一起用于解释本发明的实施例：
图1是依照本发明的实施例的自动布置（self-arranging）、发光增强器件的透视图。
图2是依照本发明的实施例的与载送多个分子的流体载体接触的自动布置、发光增强器件的通过图1的线2-2的横截面正视图。
图3是依照本发明的实施例的示出了自动布置成具有被设置在柔性柱状结构的金属帽之间的分子的紧密封装配置（close-packed configuration）的柔性柱状结构的自动布置、发光增强器件的通过图1的线2-2的横截面正视图。
图4是依照本发明的实施例的柔性柱状结构已自动布置成具有被设置在金属帽之间的分子的紧密封装配置之后的图1的自动布置、发光增强器件的另一透视图。
图5是依照本发明的实施例的包括包含图1的用于表面增强发光的自动布置、发光增强器件的光学部件的光学设备的示意图，其示出了用于设置在金属帽之间的分子的表面增强拉曼光谱（SERS）的示例性配置。
图6A、6B和6C是依照本发明的实施例的图1的自动布置、发光增强器件的制造中的各种阶段处的横截面正视图，其说明了在制造中使用的处理操作序列。
图7是依照本发明的实施例的用于制造用于表面增强发光的自动布置、发光增强器件的方法的流程图。
除非具体地说明，不应将在本说明中所参考的附图理解为按比例绘制。
具体实施方式
现在将详细地对本发明的替换实施例进行参考。虽然将结合替换实施例来描述本发明，但应理解的是其并不意图使本发明局限于这些实施例。相反，本发明意图覆盖替换、修改和等价物，其可以被包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内。
此外，在本发明的实施例的以下描述中，阐述许多特定细节是为了提供本发明的透彻理解。然而，应注意的是可以在没有这些特定细节的情况下实施本发明的实施例。在其他情况下，未详细描述众所周知的方法、程序和部件以免不必要地使本发明的实施例含糊难懂。遍及各图，用相同的附图标记来表示相同的部件，并且在不必要时，为了解释清楚而省略了重复描述。
本发明的实施例包括用于表面增强发光的自动布置、发光增强器件。用于表面增强发光的该自动布置、发光增强器件包括衬底以及多个柔性柱状结构。所述多个中的柔性柱状结构包括柔性柱以及被耦合到柔性柱的顶点的金属帽。至少该柔性柱状结构和第二柔性柱状结构被配置成自动布置成具有被设置在各自柔性柱状结构和所述第二柔性柱状结构的至少所述金属帽和第二金属帽之间的至少一个分子的紧密封装配置。
参考图1，依照本发明的实施例，示出了自动布置、发光增强器件101的透视图100。用于表面增强发光的自动布置、发光增强器件101包括衬底110、多个柔性柱状结构120，例如柔性柱状结构120-1、120-2、120-3、120-4和120-5。所述多个120中的柔性柱状结构120-1包括柔性柱120-1A和金属帽120-1B。类似地，所述多个120中的其他柔性柱状结构、例如柔性柱状结构120-2、120-3、120-4和120-5包括柔性柱，分别地诸如柔性柱120-2A、120-3A、120-4A和120-5A，以及金属帽，分别地例如金属帽120-2B、120-3B、120-4B和120-5B。如图1所示，举例来说，一行柔性柱状结构包括柔性柱状结构120-1、120-2、120-3、120-4和120-5，不限于此；并且举例来说，柔性柱状结构阵列包括多个行，不限于此。因此，依照本发明的一个实施例，多个柔性柱状结构120包括包含多行柔性柱状结构的柔性柱状结构阵列。然而，与图1所示的相比不那么井然有序的柔性柱状结构的其他布置也在本发明的实施例的精神和范围内。图1所示的布置仅说明如在自顶向下制造程序中可以制造的自动布置、发光增强器件101中的多个柔性柱状结构120的布置的一个示例，在自顶向下制造程序在光刻工艺中采用网格状掩膜；但是，其他制造方法也在本发明的实施例的精神和范围内，其随后被描述。
进一步参考图1，依照本发明的实施例，柔性柱状结构、例如多个柔性柱状结构120中的柔性柱状结构120-1可以具有蘑菇的形状，因此，本发明人已杜撰了比喻性术语“蘑菇结构”以用于柔性柱状结构。然而，依照本发明的实施例，柔性柱状结构不限于具有蘑菇的形状，因为其他形状也在本发明的实施例的精神和范围内。此外，举例来说，依照本发明的实施例，柔性柱可以具有纳米圆锥的形式，如图1和4中所示的，不限于此；但是，更一般地，柔性柱可以选自由：纳米圆锥、纳米角锥（nanopyramid）、纳米棒（nanorod）、纳米杆(nanobar)、纳米柱(nanopole)和纳米草组成的组，不限于此。正如本文所使用的技术术语“纳米圆锥、纳米角锥、纳米棒、纳米杆、纳米柱和纳米草”指的是这样的结构，其分别地基本上是：圆锥形、角锥形、棒状、杆状、柱状和草状的，其具有在高度上小到几十纳米且在直径或宽度上几纳米的纳米尺度。例如，柔性柱可以包括具有以下尺度的纳米柱：50 nm至500 nm的直径、50 nm至2微米（μm）的高度以及20 nm至500 nm的柔性柱之间的间隙。技术术语基本上圆锥形、基本上角锥形、基本上棒状、基本上杆状、基本上柱状和基本上草状意指该结构在用纳米技术的制造极限内几乎具有圆锥、角锥、棒、杆、柱和草状清晰度的各自形状。此外，举例来说，依照本发明的实施例，金属帽可以具有扁圆纳米椭球体的形式，如图1和4中所示的，不限于此；但是，更一般地，金属帽可以选自由以下各项组成的组：纳米球、扁长纳米椭球体、扁圆纳米椭球体、纳米盘以及纳米板，不限于此。正如本文所使用的技术术语“纳米球、扁长纳米椭球体、扁圆纳米椭球体、纳米盘以及纳米板”指的是这样的结构，其分别地基本上是：球状、扁长椭球状、扁圆椭球状、盘状以及板状的，其具有在高度、直径或宽度的尺寸上小到几纳米的纳米尺度。例如，依照本发明的实施例，金属帽的直径为约20 nm至500 nm。另外，技术术语基本上球状、基本上扁长椭球状、基本上扁圆椭球状、基本上盘状和基本上板状意指该结构在用纳米技术的制造极限内几乎具有球体、扁长椭球体、扁圆椭球体、盘和板的各自形状。
进一步参考图1，依照本发明的实施例，金属帽120-1B被耦合到柔性柱120-1A的顶点120-1C（图1中未示出，但是参见图6B和6C）。类似地，其他金属帽、例如金属帽120-2B、120-3B、120-4B和120-5B被耦合到柔性柱、分别地例如柔性柱120-2A、120-3A、120-4A和120-5A的顶点，分别地例如顶点120-2C、120-3C、120-4C和120-5C（图1中未示出，但是参见图6B和6C）。如图1中所示的，在多个柔性柱状结构120之间设置了多个空隙。例如，小空隙130位于金属帽120-1B与金属帽120-2B之间。进一步举例来说，不同种类的空隙、大空隙132位于四个金属帽120-8B、120-9B、120-13B和120-14B之间。此类空隙被配置成出于表面增强发光的目的接收分子（未示出，但是参见图2）。正如本文所使用的技术术语“表面增强发光”在其意义范围内还包含表面增强拉曼发射，如在表面增强拉曼光谱（SERS），以及表面增强荧光中。依照本发明的实施例，所述多个120中的至少柔性柱状结构120-1和第二柔性柱状结构120-2被配置成自动布置成具有被设置在各自柔性柱状结构120-1和第二柔性柱状结构120-2的至少金属帽120-1B和第二金属帽120-2B之间、例如在小空隙130的位置处的至少一个分子220-1（未示出，但是参见图2）的紧密封装配置，如接下来借助于通过线2-2的横截面所述的。
现在参考图2，依照本发明的实施例，示出了通过图1的线2-2的自动布置、发光增强器件101的横截面正视图200。图2以剖面方式示出了一行柔性柱状结构120-1、120-2、120-3、120-4和120-5；柔性柱状结构120-1、120-2、120-3、120-4和120-5分别包括柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A；以及金属帽120-1B、120-2B、120-3B、120-4B和120-5B。如图2中所示的，用示例性双头箭头250来指示柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A中的每一个的柔性范围，示例性双头箭头250被示为覆盖柔性柱120-3A。进一步如图2中所示的，自动布置、发光增强器件101的该行柔性柱状结构120-1、120-2、120-3、120-4和120-5被配置成与载送多个分子220、例如分子220-1和220-2的流体载体212进行接触。举例来说，如图2中所示的，流体载体可以处于运动中，不限于此，如流向量所指示的，其中的流向量212-1是示例；此类配置可能适合于针对可疑分子的存在用自动布置、发光增强器件101对环境进行采样。替换地，流体载体可以是静态的而不运动，如对于自动布置、发光增强器件101浸没在包含包括流体载体和分子（分析物由其组成）的分析物的溶液中的情况而言可能的那样。依照本发明的实施例，技术术语“流体”是在一般意义上使用的，因此流体可以是液体或者替换地气体。因此，自动布置、发光增强器件101被配置成接收分析物的分子以用于光谱分析，如SERS、表面增强荧光光谱或其他表面增强发光应用。
进一步参考图2，依照本发明的实施例，分析物分子220-1可以接近空隙、例如空隙130的位置，其中，相邻金属帽、例如金属帽120-1B和120-2B分离开距离240。依照本发明的实施例，多个柔性柱状结构120的金属帽、例如金属帽120-1B被配置成结合到紧密接近于金属帽120-1B设置的分子220-1。举例来说，此类结合可以通过金属帽120-1B和分子220-1之间的范德华力发生，不限于此；或者替换地，此类结合可以通过其他类型的结合力发生，诸如由金属帽120-1B实现的分子的表面物理吸附或表面化学吸附，不限于此。一旦分子被结合到金属帽，例如，金属帽120-1B，依照本发明的实施例，多个金属帽630（参见图6C）中的至少一个金属帽、例如金属帽120-1B被配置成增强来自紧密接近于金属帽120-1B设置的分子220-1的发光。此外，依照本发明的另一实施例，多个金属帽630（参见图6C）中的至少一个金属帽、例如金属帽120-1B可以由增强表面发光的组分组成，诸如选自由铜、银、铝和金或铜、银、铝和金的任何组合组成的组的材料。此外，依照本发明的另一实施例，多个120柔性柱状结构120-1、120-2、120-3、120-4和120-5的柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A还包括柔性材料，该柔性材料选自由高度交联uv可固化或热可固化聚合物、高度交联uv可固化或热可固化塑料、聚硅氧烷化合物、硅、二氧化硅、旋压玻璃、溶胶-凝胶材料、氮化硅、金刚石、类似于金刚石的碳、氧化铝、蓝宝石、氧化锌以及二氧化钛组成的组，其包括电介质和非电介质材料两者，接下来描述其目的。
现在参考图3，依照本发明的实施例，示出了通过图1的线2-2的自动布置、发光增强器件101的横截面正视图300。图3示出了自动布置成具有分子、例如分别设置在柔性柱状结构120-1和120-2的金属帽120-1B和120-2B之间的分子220-1以及分别设置在柔性柱状结构120-3和120-4的金属帽120-3B和120-4B之间的分子220-2的紧密封装配置的柔性柱状结构120-1、120-2、120-3和120-4。由于多个柔性柱状结构120的柔性柱120-1A、120-2A、120-3A和120-4A包括如上所述的柔性或柔顺材料、依照本发明的实施例，至少一个柔性柱120-1A被配置成朝着至少第二柔性柱120-2A弯曲，并且将分子220-1设置为与第二柔性柱120-2A上的至少第二金属帽120-2B紧密接近。在其中流体载体包括流体的情况下，少量液体、例如液池320和330可能仍被俘获在柔性柱、分别地例如柔性柱120-1A和120-2A与柔性柱120-3A和120-4A之间，这引起施加在柔性柱上的微毛细管力；该微毛细管力用于随着流体蒸发而将柔性柱、例如柔性柱120-1A和120-2A与柔性柱120-3A和120-4A吸在一起，这允许柔性柱状结构120-1和120-2自动布置成具有被设置在各个柔性柱状结构120-1和第二柔性柱状结构120-2的至少金属帽120-1B和第二金属帽120-2B之间的至少一个分子220-1的紧密封装配置。
因此，进一步参考图3，在其中流体载体包括液体的情况下，依照本发明的实施例，柔性柱120-1A被配置成在由流体载体210的去除引发的微毛细管力的作用下朝着第二柔性柱120-2A弯曲，流体载体210即为被提供为用于将分子220-1载送至与金属帽120-1B和第二金属帽120-2B接近的液体。依照本发明的另一实施例，具有被设置在金属帽120-1B和第二金属帽120-2B之间的分子220-1的金属帽120-1B和第二金属帽120-2B之间的紧密封装配置的间距340是由分子220-1与金属帽120-1B和第二金属帽120-2B之间的结合力的平衡（balance）确定的，恢复由于柔性柱120-1A和第二柔性柱120-2A朝着分子220-1的位移而由柔性柱120-1A和第二柔性柱120-2A施加的力。因此，依照本发明的实施例，间距340接近于由分子220-1的尺寸确定的极限，其可以小到0.5nm；间距340接近于金属帽120-1B和120-2B之间的最小可能间隔的物理极限；并且，因此，金属帽充当接近于在用于表面增强发光的至少两个此类天线之间可能的最大耦合的两个天线。此外，耦合超过两个天线的效果也在本发明的精神和范围实施例内，其接下来被描述。
现在参考图4并进一步参考图1和3，依照本发明的实施例，示出了图1的自动布置、发光增强器件101的另一透视图400。如图4中所示的，多个柔性柱状结构120中的大多数已自动布置成具有分子、例如设置在金属帽、分别地例如金属帽120-1B和120-2B、金属帽120-3B和120-4B以及金属帽120-8B、120-9B、120-13B和120-14B之间的分子220-1、220-2和410的紧密封装配置。依照本发明的实施例，与金属帽耦合的相应柔性柱已朝着相邻的柔性柱弯曲，如在由流体载体210的去除引发的微毛细管力的作用下可能发生的那样，流体载体210在这种情况下为液体。例如，类似于空隙130的小空隙被配置成捕捉较小分子，例如分子220-1和220-2；并且类似于空隙132的大空隙被配置成捕捉较大分子，例如分子410。依照本发明的实施例，所捕捉分子的尺寸是由金属帽之间的自动布置间距确定的，例如具有被设置在金属帽120-1B和第二金属帽120-2B之间的分子220-1的金属帽120-1B和第二金属帽120-2B之间的紧密封装配置的间距340。举例来说，依照本发明的实施例，自动布置间距的尺寸可以为约2nm，不限于此。因此，依照本发明的实施例，可以将自动布置、发光增强器件101配置成提供用于从载送至少一个特定分子种类的分析物的溶液捕捉各种尺寸的分子的衬底。例如，然后可以在分析物的所捕捉分子的SERS分析中使用自动布置、发光增强器件101，接下来更详细地对其进行描述。
现在参考图5并进一步参考图1、3和4，依照本发明的其它实施例，示出了光学设备501的示意图500。如图1中所示的，光学设备501包括光学部件502，其包括用于图1的表面增强发光的自动布置、发光增强器件101。举例来说，依照本发明的一个实施例，示出了用于被设置在自动布置、发光增强器件101的金属帽之间的分子的SERS的示例性配置，不限于此。依照本发明的实施例，用于表面增强发光的自动布置、发光增强器件101包括衬底110以及多个柔性柱状结构120。依照本发明的实施例，多个120中的柔性柱状结构120-1包括柔性柱120-1A以及被耦合到柔性柱120-1A的顶点120-1C的金属帽120-1B。依照本发明的实施例，至少柔性柱状结构120-1和第二柔性柱状结构120-2被配置成自动布置成具有被设置在各自柔性柱状结构120-1和第二柔性柱状结构120-2的至少金属帽120-1B和第二金属帽120-2B之间的至少一个分子220-1的紧密封装配置。因此，在光学部件502和光学设备501的环境内可以结合用于自动布置、发光增强器件101的本发明的先前所述实施例，不限于此。此外，依照本发明的实施例，光学部件502可以选自由反射镜、光栅、波导以及分析单元组成的组。
进一步参考图5，依照本发明的实施例，光学设备501可以包括光谱仪，例如拉曼光谱仪，不限于此。图5示出了光学设备501的配置，光学设备包括光谱仪，其被配置成接纳用于执行至少一个分子、例如分子220-1、分子220-2或分子410的光谱学、例如SERS的光学部件502。该光谱仪包括用来激励至少一个分子、例如分子410的激励性电磁辐射510的源。激励性电磁辐射510的源可以是激光器（未示出）。激励性电磁辐射510的光子的能量是由普朗克常量乘以激光源的频率给出的，由hvlaser给出。另外，光谱仪包括被用来分析和检测所发射的电磁辐射520的分析仪（未示出）和检测器（未示出）。散射的电磁辐射520响应于激励激光源从分子410出现。例如，在SERS的情况下，来自分子410的发射电磁辐射520的光子的能量由普朗克常量乘以分子源的频率给出，由hvlaser = hvo ± hΔ给出，其中，vo是入射激光场的频率且Δ是拉曼频移。由于与在所述多个柔性柱状结构的所述多个金属帽、例如金属帽120-1B和120-2B、金属帽120-3B和120-4B以及金属帽120-8B、120-9B、120-13B和120-14B中激励的表面等离子体激元的交互，与入射场E0相比增强了分子、分别地例如分子220-1、分子220-2或分子410处的本地电场Emolecule的量值。
进一步参考图5，依照本发明的实施例，金属帽的组成使得在金属中激励的表面等离子体基元在激励性电磁辐射510和从分子410发射的电磁辐射的波长范围内；这些波长范围可以从近紫外线延伸至近红外线。因此，依照本发明的实施例，所述多个金属帽可以由贵金属组分组成；或者替换地，所述多个金属帽可以由选自由铜、银和金组成的组分的组的组分组成。依照本发明的实施例，通过增加金属帽的数目来将与发射的电磁辐射520相关联的信号放大，分子被接近于所述金属帽设置。本发明的实施例通过采用多个柔性柱状结构120来增加接近于分子、例如分子410的金属帽、例如金属帽120-8B、120-9B、120-13B和120-14B的数目，所述多个柔性柱状结构120包括在其上面设置了多个金属帽630（参见图6C）的多个柔性柱610（参见图6B）。因此，依照本发明的实施例，由于增加的金属帽数目，预期接近于分子410的表面等离子体激元的激励的增加将在SERS中增强来自分子410的信号。因此，本发明的实施例提供了用于表面增强发光、例如用于SERS的自动布置、发光增强器件101，不限于此。
现在参考图6A、6B和6C，依照本发明的仍其他实施例，分别示出了自动布置、发光增强器件101的各种制造阶段处的图1的自动布置、发光增强器件101的横截面正视图600A、600B和600C。图6A、6B和6C说明了在自动布置、发光增强器件101的制造中使用的处理操作序列。图6A示出了在其上面制造自动布置、发光增强器件101的结构的其余部分的衬底110。依照本发明的实施例，衬底可以是选自由硅、玻璃、石英、氮化硅、蓝宝石、氧化铝、金刚石、类似于金刚石的碳、一个或多个塑料以及一个或多个金属和金属合金组成的组的材料。依照本发明的实施例，衬底可以采取选自由片材、晶片、膜和网组成的组的形式。例如，如果衬底采取网的形式，则可以使用衬底作为原料、如卷到卷制造过程中的材料卷。针对另一示例，衬底可以采取由塑料材料、诸如聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯或某个其他适当聚合物塑料组成的柔性聚合物膜的形式。因此，依照本发明的实施例，衬底可以是刚性的，就半导体晶片而言，或者是柔性的，就网而言。
现在进一步参考图6B和1，依照本发明的实施例，示出了在制造的中间阶段处的图1的自动布置、发光增强器件101的横截面正视图600B。图6B示出了衬底110上的多个柔性柱610、例如柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A。多个柔性柱610中的每个柔性柱、例如柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A包括多个顶点620中的顶点，例如顶点120-1C、120-2C、120-3C、120-4C和120-5C。依照本发明的实施例，可以利用选自由在衬底110上生长纳米线、蚀刻衬底110、在衬底110上纳米压印涂层以及在衬底110上热纳米压花涂层组成的组的工艺来产生所述多个柔性柱610。例如，在生长纳米线以产生柔性柱时，向衬底110、例如硅中沉积纳米线籽晶（seed）；以及在从硅烷进行化学汽相沉积期间生长纳米线。以另一示例的方式，在蚀刻衬底以产生柔性柱时，向例如硅的衬底110施加反应性离子蚀刻（RIE）工艺；以及，通过在存在气态氮、氩或氧的情况下经由反应性气态种类的作用来从衬底110去除材料而产生例如纳米圆锥形式的柔性柱，不限于此，所述反应性气态种类诸如氟、氯、溴或卤素。以又另一示例的方式，在纳米压印衬底以产生柔性柱时，向例如网形式的衬底110施加高粘性薄膜，例如高度交联聚合物，以在网上产生涂层；以及通过使网在一对辊子之间滚动来产生例如纳米柱形式的柔性柱，不限于此，所述一对辊子中的一个是管芯，其具有被压印至网的高粘性薄膜涂层中的凸纹图案，在网、衬底110上以多个纳米柱的形式留下管芯的凸纹图案的反面。以又另一示例的方式，当在衬底110上热纳米压花涂层时，向衬底110施加聚合物或塑料以在衬底110上产生涂层；以及通过用管芯热压花涂层来产生例如纳米柱形式的柔性柱，不限于此，所述管芯具有被压印到聚合物或塑料中的凸纹图案，其涂敷衬底110，在衬底110上以多个纳米柱的形式留下管芯的凸纹图案的负面。
现在进一步参考图6C和1，依照本发明的实施例，示出了接近制造的最后阶段的图1的自动布置、发光增强器件101的横截面正视图600C。图6C示出了衬底110上的多个柔性柱状结构120，例如柔性柱状结构120-1、120-2、120-3、120-4和120-5。每个柔性柱状结构、例如柔性柱状结构120-1、120-2、120-3、120-4和120-5包括多个柔性柱610中的柔性柱，例如柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A，以及多个金属帽630中的金属帽，例如金属帽120-1B、120-2B、120-3B、120-4B和120-5B，使得每个金属帽被设置在多个顶点620中的顶点上，分别地例如顶点120-1C、120-2C、120-3C、120-4C和120-5C。依照本发明的实施例，可以利用选自由对金属帽、例如金属帽120-1B进行蒸发、对金属帽进行电镀、从金属纳米颗粒的胶态悬浮体沉淀金属帽、将沉积金属层的一部分剥离以形成金属帽并通过高能粒子轰击来减少吸附的金属-有机化合物以形成金属帽组成的组的工艺来产生多个柔性柱状结构120。
例如，进一步参考图6C和1，依照本发明的实施例，在蒸发以产生金属帽时，使用薄膜真空蒸发技术来产生一股金属蒸汽640，以将金属沉积到多个610柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A的多个顶点620上。多个630金属帽120-1B、120-2B、120-3B、120-4B和120-5B是从向多个610柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A的多个620顶点120-1C、120-2C、120-3C、120-4C和120-5C上沉积金属的金属蒸气生长的。依照本发明的实施例，制造多个金属帽630可以包括以与衬底110的表面成约30°的角度650向多个610柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A的多个620顶点120-1C、120-2C、120-3C、120-4C和120-5C上蒸发金属。此外，依照本发明的实施例，可以通过限制在蒸发过程期间从金属蒸汽沉积的材料的量来控制金属帽120-1B、120-2B、120-3B、120-4B和120-5B的尺寸和因此的间距。
以另一示例的方式，进一步参考图6C和1，依照本发明的实施例，在对金属帽进行电镀时，将包括柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A的衬底110浸没在包含金属阳离子的电镀溶液中。向包括柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A的衬底110施加电势，这在柔性柱、例如柔性柱120-1A的顶点、例如顶点120-1C处导致增强型电场。增强型电场将金属阳离子吸引到柔性柱、例如柔性柱120-1A的顶点，例如顶点120-1C，在那里发生金属阳离子的化学还原，并且沉积金属以生长金属帽，例如金属帽120-1B。
类似地，以另一示例的方式，进一步参考图6C和1，依照本发明的实施例，在从金属纳米颗粒的胶态悬浮体沉淀金属帽时，将包括柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A的衬底110浸没在金属纳米颗粒的胶态悬浮体中；向包括柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A的衬底110施加电势，这在柔性柱、例如柔性柱120-1A的顶点、例如顶点120-1C处导致增强型电场；该增强型电场将来自胶态悬浮体的金属纳米颗粒吸引到柔性柱、例如柔性柱120-A的顶点，例如顶点120-1C，在那里，沉积金属纳米颗粒以生长金属帽，例如金属帽120-1B。
以又另一示例的方式，进一步参考图6C和1，依照本发明的实施例，在用于将所沉积金属层的一部分剥离以产生金属帽的剥离过程中，向包括柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A的衬底110施加一层光刻胶。在邻近于柱的侧面的光刻胶中产生底切结构，并且将光刻胶从柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A的顶点120-1C、120-2C、120-3C、120-4C和120-5C蚀刻掉。使用例如溅射或蒸发的薄膜沉积技术将一股金属蒸汽640沉积到多个610柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A的多个620顶点上。在组合光刻胶的表面上沉积薄膜并部分地制造自动布置、发光增强器件101。然后去除光刻胶和在柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A之间粘附于光刻胶的金属层部分，并且留下多个630金属帽120-1B、120-2B、120-3B、120-4B和120-5B，其粘附于多个610柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A的多个620顶点120-1C、120-2C、120-3C、120-4C和120-5C。
以又另一示例的方式，进一步参考图6C和1，依照本发明的实施例，在通过高能粒子轰击来减少吸附的金属-有机化合物以产生金属帽120-1B、120-2B、120-3B、120-4B和120-5B时，使包括柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A的衬底110暴露于承载金属一半的化学化合物的蒸汽，例如在化学汽相沉积（CVD）中使用的金属-有机化合物。例如，可以以被允许到真空室、诸如聚焦离子束（FIB）工具的真空室、扫描电子显微镜（SEM）或激光烧蚀系统的靶室的气体的形式提供金属-有机化合物，不限于此。可以使用被对接到真空室的适当气体注入系统（GIS）来提供承载金属一半、金属-有机化合物的化学蒸汽。金属-有机化合物的气态蒸汽吸附在衬底110的表面上，其包括柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A的顶点120-1C、120-2C、120-3C、120-4C和120-5C。例如离子、电子或光子（不限于此）的粒子高能射束照射柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A的顶点120-1C、120-2C、120-3C、120-4C和120-5C。可以例如由FIB工具的离子枪、SEM的电子枪或激光烧蚀系统的激光器（不限于此）来提供例如离子、电子或光子（不限于此）的粒子的此类高能射束。例如离子、电子或光子（不限于此）的粒子的高能射束减少了金属-有机化合物的所吸附气态蒸汽，并向多个610柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A的多个620顶点120-1C、120-2C、120-3C、120-4C和120-5C上生长多个630金属帽120-1B、120-2B、120-3B、120-4B和120-5B。
现在参考图7，依照本发明的实施例，示出了用于制造用于表面增强发光的自动布置、发光增强器件的方法的流程图700。用于制造用于表面增强发光的自动布置、发光增强器件的方法包括以下各项。在710处，提供衬底。在720处，在衬底上产生多个柔性柱。依照本发明的实施例，在衬底上产生多个柔性柱可以包括如前所述的选自由在衬底上生长纳米线、蚀刻衬底、在所述衬底上热纳米压花涂层以及在衬底上纳米压印涂层组成的组的工艺。在730处，在多个柔性柱的多个顶点上制造多个金属帽，使得多个柔性柱由允许多个柔性柱中的至少一个柔性柱和第二柔性柱在分子被接近于至少一个金属帽和第二金属帽设置的情况下自动布置成具有分子的紧密封装配置的材料组成，并且该金属帽和第二金属帽由在分子被接近于至少一个金属帽设置的情况下增强分子的发光的材料组成。另外，依照本发明的实施例，制造多个金属帽可以包括如前所述的选自由对金属帽进行蒸发、对金属帽进行电镀、从金属纳米颗粒的胶态悬浮体沉淀金属帽、剥离所沉积金属层的部分以形成金属帽以及通过高能粒子轰击来减少所吸附金属-有机化合物以形成金属帽组成的组的工艺。此外，依照本发明的实施例，制造多个金属帽还可以包括以与衬底表面成约30°的角度将金属蒸发到多个柔性柱的多个顶点上，如前所述。
本发明的实施例包括自动布置、发光增强器件101，其能够在表面增强发光期间提供用于分子存在的增强的灵敏度。此外，本发明的实施例提供了用于与溶液中的分子相关联的分析物的表面增强发光的较低可检测性极限。例如，本发明的实施例提供了分子的SERS分析中的较低可检测性极限。因此，由于由本发明的实施例提供的用于分子检测的增强灵敏度和可检测性极限，本发明人预期本发明的实施例在至少医学、环境、化学以及生物技术中的新的应用，不限于此。
本发明的特定实施例的前述说明已经出于图示和说明的目的提出的。其并不意图是排他性的或使本发明局限于所公开的精确形式，并且鉴于上述讲授内容，可以有许多修改和变更。选择和描述本文所述的实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用以从而使得本领域的技术人员能够最好地利用本发明和各种实施例，具有适合于预期的特定使用的各种修改。可能意图在于由所附权利要求及其等价物来限定本发明的范围。

Claims (15)

1.一种用于表面增强发光的自动布置、发光增强器件101，所述器件101包括：
衬底110；以及
多个120柔性柱状结构，所述多个120中的柔性柱状结构120-1包括；
柔性柱120-1A；以及
金属帽120-1B，其被耦合到所述柔性柱120-1A的顶点120-1C；
其中，所述多个柔性柱状结构120中的至少所述柔性柱状结构120-1和第二柔性柱状结构120-2被配置成自动布置成具有被设置在各自柔性柱状结构120-1和第二柔性柱状结构120-2的至少所述金属帽120-1B和第二金属帽120-2B之间的至少一个分子220-1的紧密封装配置。
2.权利要求1的自动布置、发光增强器件101，其中，多个金属帽630中的至少一个金属帽120-1B被配置成增强来自紧密接近于所述金属帽120-1B设置的分子220-1的发光。
3.权利要求1的自动布置、发光增强器件101，其中，所述多个金属帽630中的至少一个金属帽120-1B由选自由铜、银、铝和金或铜、银、铝和金的任何组合组成的组的组分组成。
4.权利要求1的自动布置、发光增强器件101，其中，所述多个柔性柱状结构120的柔性柱还包括选自由高度交联uv可固化聚合物、高度交联热可固化聚合物、高度交联uv可固化塑料、高度交联热可固化塑料、聚硅氧烷化合物、硅、二氧化硅、氮化硅、金刚石、类似于金刚石的碳、旋压玻璃、溶胶-凝胶材料、氧化锌、氧化铝、蓝宝石和二氧化钛组成的组的柔性材料。
5.权利要求1的自动布置、发光增强器件101，其中，所述多个柔性柱状结构120的金属帽120-1B被配置成结合到紧密接近于所述金属帽120-1B设置的分子220-1。
6.权利要求1的自动布置、发光增强器件101，其中，至少一个柔性柱120-1A被配置成朝着至少第二柔性柱120-2A弯曲，并且以将所述分子220-1设置为紧密接近于所述第二柔性柱120-2A上的至少第二金属帽120-2B。
7.权利要求6的自动布置、发光增强器件101，其中在所述金属帽120-1B和第二金属帽120-2B之间的具有被设置在所述金属帽120-1B和第二金属帽120-2B之间的分子220-1 的所述紧密封装配置的间距340是由所述分子220-1与所述金属帽120-1B和第二金属帽120-2B之间的结合力的平衡确定的，恢复由于所述柔性柱120-1A和第二柔性柱120-2A朝向所述分子220-1的位移，由所述柔性柱120-1A和第二柔性柱120-2A施加的力。
8.权利要求6的自动布置、发光增强器件101，其中，所述柔性柱120-1A被配置成在由流体载体210的去除引发的微毛细管力的作用下朝着所述第二柔性柱120-2A弯曲，流体载体210被提供为将所述分子220-1载送至与所述金属帽120-1B和第二金属帽120-2B紧密接近。
9.一种用于制造用于表面增强发光的自动布置、发光增强器件101的方法，所述方法包括：
710提供衬底110；
720在所述衬底110上产生多个柔性柱610；以及
730在所述多个柔性柱610的多个顶点620上制造多个金属帽630；
其中，所述多个柔性柱610由允许所述多个柔性柱610中的至少柔性柱120-1A和第二柔性柱120-2A在分子220-1被接近于至少金属帽120-1B和第二金属帽120-2B设置的情况下自动布置成具有分子220-1的紧密封装配置的材料组成，并且所述金属帽120-1B和所述第二金属帽120-2B由在所述分子220-1被接近于至少一个所述金属帽120-1B设置的情况下增强所述分子220-1的发光的材料组成。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述在所述衬底110上产生多个柔性柱610包括选自由在所述衬底110上生长纳米线、蚀刻所述衬底110、在所述衬底110上热纳米压花涂层以及在所述衬底110上纳米压印涂层组成的组的工艺。
11.如权利要求9所述的方法，其中，所述制造所述多个金属帽630包括选自由对金属帽120-1B进行蒸发、对金属帽120-1B进行电镀、从金属纳米颗粒的胶态悬浮体沉淀金属帽120-1B、剥离所沉积金属层的部分以形成金属帽120-1B、以及通过高能粒子轰击来减少所吸附金属-有机化合物以形成金属帽120-1B组成的组的工艺。
12.如权利要求9所述的方法，其中，所述制造所述多个金属帽630包括以与所述衬底110的表面成约30°的角度650将金属蒸发到所述多个柔性柱610的多个顶点上620。
13.一种光学设备501，包括：
光学部件502，包括：
用于表面增强发光的自动布置、发光增强器件101，所述器件101包括；
衬底110；以及
多个120柔性柱状结构，所述多个120中的柔性柱状结构120-1包括；
柔性柱120-1A；以及
金属帽120-1B，其被耦合到所述柔性柱120-1A的顶点120-1C；
其中，所述多个柔性柱状结构120中的至少所述柔性柱状结构120-1和第二柔性柱状结构120-2被配置成自动布置成具有被设置在各自柔性柱状结构120-1和第二柔性柱状结构120-2的至少所述金属帽120-1B和第二金属帽120-2B之间的至少一个分子220-1的紧密封装配置，并增强来自所述分子220-1的发光。
14.如权利要求13所述的光学设备501，所述光学部件502选自由反射镜、光栅、波导以及分析单元组成的组。
15.如权利要求13所述的光学设备501，还包括：
光谱仪，所述光谱仪被配置成接纳用于执行所述分子220-1的表面增强拉曼光谱的所述光学部件502。
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