CN108956574A - 用于双光子荧光增强的双波长金属Fano共振结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于双光子荧光增强的双波长金属Fano共振结构，该共振结构包括纳米金属圆盘阵列、光学透明介质薄膜层、金属薄膜层，其中所述光学透明介质薄膜层位于纳米金属圆盘阵列及金属薄膜层之间。本发明的共振结构具有多维度结构参数可调的优点，通过合理的选择结构参数可以同时在两个目标波长处实现具有较高增强因子的光场增强。该特性使该结构可以同时增强目标双光子荧光物质的激发效率与发射效率，实现双光子荧光强度的匹配增强。该共振结构的制备方法工艺简便，只需要传统的纳米压印工艺与薄膜蒸镀工艺，重复性好，便于应用。

Description

用于双光子荧光增强的双波长金属Fano共振结构
技术领域
本发明涉及一种金属等离激元共振结构及其制备方法，特别涉及一种用于双光子荧光增强的双波长金属Fano共振结构。
技术背景
金属表面等离子体波是一种物理光学现象，是光照射在金属电介质界面上激发起金属表面电子的集体振荡。由于其检测过程快捷、能够获得实时数据、操作方便、无须标记和可保持分子的生物活性等特点，基于金属表面等离子共振原理的传感器在生命科学和制药领域获得广泛研究与应用，目前已逐渐渗透到化学、化工、材料、食品、环境和国防等研究领域，特别是在免疫检测、环境监测、材料表面及界面的吸附性质和电化学聚合等方面得到了很好的应用。金属表面等离子共振器件可以对结构附近的光场实现多个数量级的局域场增强，其可以实现对荧光信号的极大增强。因此基于表面等离子共振结构的拉曼散射与荧光标记是实现高灵敏度传感与探测的有效途径，在超高灵敏度传感与探测方面具有极为重要的应用价值。
由于双光子荧光的激发波长与发射波长相距较远，一般可达到几百纳米，而表面等离激元的共振峰宽一般为一百纳米左右，很难同时对样品的激发波长与发射波长进行同时增强。目前，基于金属表面等离激元共振原理，实现双光子荧光激发与发射的同时增强主要通过非对称结构的多个波长的共振以及超宽增强光谱特性来实现的，包括椭球、金属棒以及多面体等不对称结构，当激发光的偏振态沿着椭球的不同方向时，其共振峰的位置不同，但是非对称结构很难实现双光子荧光激发与发射大跨度下的同时增强。
发明内容
发明目的：为克服现有技术的不足，本发明提供一种用于双光子荧光增强的双波长金属Fano共振结构，实现双光子荧光激发与发射大跨度下的同时增强。
另一方面，本发明还提供上述用于双光子荧光增强的双波长金属Fano共振结构的制备方法。
技术方案：本发明所述的一种用于双光子荧光增强的双波长金属Fano共振结构，该结构从下而上依次包括绝缘衬底、金属薄膜、光学透明介质薄膜和纳米金属圆盘阵列，该纳米金属圆盘阵列按设计要求排列。
本发明的用于双光子荧光增强的双波长金属Fano共振结构的制备方法包括如下步骤：
S1.在绝缘衬底上蒸镀金属薄膜；
S2.在金属薄膜上蒸镀光学透明介质膜；
S3.在光学透明介质膜上通过旋涂的方法涂覆一层有机薄膜；
S4.使用制备好的模板在有机薄膜上进行压印，模刻出柱对称圆盘阵列孔结构；
S5.在柱对称圆盘阵列孔结构上蒸镀金属；
S6.蒸镀完成后采用有机溶液清洗去除有机薄膜，保留下柱对称纳米金属圆盘阵列。
其中：
所述绝缘衬底为玻璃衬底或石英衬底。
所述金属膜为金膜或银膜。
所述金属薄膜的厚度大于100纳米。
所述光学透明介质膜为SiO2膜或MgF2膜。
所述柱对称金属圆盘阵列中圆盘的直径为纳米量级。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著效果为：
1、单个金属圆盘可以激发局域等离子共振，与周期性金属圆盘阵列激发的表面等离子共振相互耦合，且介质膜的引入使金属圆盘与底层金属膜激发的镜像光场相互耦合，形成Fano共振，在极大提高场增强因子的同时导致了多种空间模式场的出现，从而出现了多个共振峰；同时，共振峰的位置和耦合强度可以通过调节金属圆盘的直径、高度、阵列周期以及介质膜的厚度来有效地进行调节。
2、通过将不同共振模式分别对应于双光子荧光物质的激发波长与发射波长，实现同时增强目标荧光分子的激发效率与发射效率。以800nm飞秒激光激发双光子荧光物质DCM激光染料为例，其荧光波长为580nm左右，通过将本发明的金属等离子共振结构的两个共振峰分别对应于目标分子的的激发波长与发射波长，可以在激发光共振增强的基础上实现荧光发射的同时增强。
3、结构简单，工艺简便，只需要传统的纳米压印工艺与薄膜蒸镀工艺，重复性好，便于应用。
附图说明
图1为对称金属纳米球的共振特性图；
图2(a)和2(b)分别为本发明的金属等离子共振结构的立体图和扫描电镜俯视图，图2(c)和2(d)分别为本发明的金属等离子共振结构的平均电场增强因子计算示意图和平均电场增强谱，图2(e)和2(f)分别为本发明的金属等离子共振结构共振波长处的电场分布；
图3(a)至图3(d)分别为本发明的金属等离子共振结构在不同金属圆盘半径、高度、阵列周期、介质膜厚度条件下的反射谱图；
图4为针对目标物质DCM激光染料设计的具有金属阵列结构的不同等离子共振结构的共振特性图；
图5为在针对双光子荧光物质DCM在具有不同共振波长的等离子共振结构上测得的荧光光谱图。
图6为用于双光子荧光增强的双波长金属Fano共振结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图6，本发明的用于双光子荧光增强的双波长金属Fano共振结构包括从下而上依次形成在绝缘衬底上的金属膜2、光学透明介质膜3和金属圆盘阵列4，金属膜2为金膜或银膜，光学透明介质膜3的材料为二氧化硅SiO2或氟化镁MgF2。优选金属膜2的厚度大于100纳米，以消除金属膜2的下层界面激发表面等离子共振进而产生干扰的可能。此外，金属圆盘阵列4中金属圆盘的直径为纳米量级。
相应地，上述金属等离子共振结构制备方法包括以下步骤：
(S1)在玻璃或者石英衬底上通过热蒸发的方法蒸镀金属膜2和光学透明介质膜3；
(S2)通过旋涂的方法在玻璃或者石英衬底上涂覆一层有机薄膜；
(S3)使用制备好的模板在有机薄膜上进行压印，模刻出柱对称结构圆孔阵列；
(S4)然后在柱对称结构圆孔阵列上蒸镀金属；
(S5)蒸镀完成后采用有机溶液清洗去除有机薄膜，保留下柱对称金属圆盘阵列3。
经由上述步骤制备得到的金属等离子共振结构的扫描电镜俯视图如图1(b)所示。
图2(a)至图2(d)分别为本发明的金属等离子共振结构在不同金属圆盘半径(r)、高度(ha)、阵列周期(p)、介质膜厚度(hs)条件下的反射谱图。从图中可见，本发明的金属等离子共振结构会在两个相距较远的波长处产生表面等离子共振，通过调整圆盘半径大小(r)、金属圆盘高度(ha)、圆盘阵列周期(p)、介质薄膜厚度(hs)，可以方便地改变模式之间的耦合强度，从而改变各个共振峰的强度与位置。
本发明的金属等离子共振结构可以实现对双光子荧光物质的匹配增强。为方便对比说明，选用了浓度为1x10-4mol/L的DCM溶于PMMA，在不同的基底上，通过旋涂的方法制备厚度为50nm左右的薄膜，并在相同的实验条件以及环境中得到不同衬底下的双光子激发荧光光谱，激发波长为800nm，聚焦物镜为20倍物镜，其数值孔径为0.45。其中，结构1对应本发明的共振结构，其中介质膜的材料为二氧化硅SiO2，厚度为30纳米；金属膜的材料为银，厚度为120纳米；金属圆盘阵列的材料为银，圆孔直径为130纳米，厚度为30纳米，周期为450纳米，该结构共振峰峰位分别为585nm与815nm，被设计用于匹配DCM的激发波长与荧光波长。结构2为用于对比的共振结构，其中介质膜的材料为二氧化硅SiO2，厚度为50纳米；金属圆盘阵列3的材料为银，圆孔直径为110纳米，厚度为30纳米，周期为490纳米，该结构共振峰峰位分别为610nm与720nm，被设计用于匹配DCM的荧光波长；结构3为也为用于对比的共振结构，该结构仅有二氧化硅SiO2。
从对比实验中可以看出，当共振结构的两个共振峰峰位与双光子荧光物质的激发与荧光波长同时匹配时，在三个不同基底中的增强效果最好。

Claims (7)

1.一种用于双光子荧光增强的双波长金属Fano共振结构，其特征在于：该结构从下而上依次包括绝缘衬底(1)、金属薄膜(2)、光学透明介质薄膜(3)和纳米金属圆盘阵列(4)，该纳米金属圆盘阵列(4)按设计要求排列。
2.一种如权利要求1所述的用于双光子荧光增强的双波长金属Fano共振结构的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1.在绝缘衬底(1)上蒸镀金属薄膜(2)；
S2.在金属薄膜(2)上蒸镀光学透明介质膜(3)；
S3.在光学透明介质膜(3)上通过旋涂的方法涂覆一层有机薄膜；
S4.使用制备好的模板在有机薄膜上进行压印，模刻出柱对称圆盘阵列孔结构；
S5.在柱对称圆盘阵列孔结构上蒸镀金属；
S6.蒸镀完成后采用有机溶液清洗去除有机薄膜，保留下柱对称纳米金属圆盘阵列(4)。
3.根据权利要求2所述的用于双光子荧光增强的双波长金属Fano共振结构的制备方法，其特征在于，所述绝缘衬底(1)为玻璃衬底或石英衬底。
4.根据权利要求2所述的用于双光子荧光增强的双波长金属Fano共振结构的制备方法，其特征在于，所述金属膜(2)为金膜或银膜。
5.根据权利要求4所述的用于双光子荧光增强的双波长金属Fano共振结构的制备方法，其特征在于，所述金属薄膜(2)的厚度大于100纳米。
6.根据权利要求2所述的用于双光子荧光增强的双波长金属Fano共振结构的制备方法，其特征在于，所述光学透明介质膜(3)为SiO2膜或MgF2膜。
7.根据权利要求2所述的用于双光子荧光增强的双波长金属Fano共振结构的制备方法，其特征在于，所述柱对称金属圆盘阵列(4)中圆盘的直径为纳米量级。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109374591A (zh) * 2018-12-17 2019-02-22 浙江大学 基于全介质人工微结构超表面的荧光增强芯片
CN109799205A (zh) * 2019-02-20 2019-05-24 电子科技大学 一种平面薄膜结构的红外分子指纹传感器及其制备方法
CN113588615A (zh) * 2021-07-29 2021-11-02 东北大学秦皇岛分校 一种基于spr的纳米半球体结构阵列的荧光增强装置
CN114324261A (zh) * 2021-12-30 2022-04-12 山西大学 一种测量金纳米粒子聚集体耦合强度的方法
CN115249432A (zh) * 2021-04-28 2022-10-28 中国科学院微电子研究所 一种防伪彩色标签及其制作方法和印刷品的制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103645160A (zh) * 2013-12-06 2014-03-19 东南大学 一种多波长共振的等离子共振结构及其制备方法
CN107478606A (zh) * 2017-08-01 2017-12-15 深圳大学 可实现Fano共振的多波长可调型纳米传感器

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103645160A (zh) * 2013-12-06 2014-03-19 东南大学 一种多波长共振的等离子共振结构及其制备方法
CN107478606A (zh) * 2017-08-01 2017-12-15 深圳大学 可实现Fano共振的多波长可调型纳米传感器

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YIZHUO CHU ET AL.: "Double-Resonance Plasmon Substrates for Surface-Enhanced Raman Scattering with Enhancement at Excitation and Stokes Frequencies", 《ACS NANO》 *
YIZHUO CHU ET AL.: "Experimental study of the interaction between localized and propagating surface plasmons", 《OPTICS LETTERS》 *
雍征东: "金属等离子体纳米结构的设计及应用研究", 《中国博士学位论文全文数据库 工程科技I辑》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109374591A (zh) * 2018-12-17 2019-02-22 浙江大学 基于全介质人工微结构超表面的荧光增强芯片
CN109374591B (zh) * 2018-12-17 2024-02-06 浙江大学 基于全介质人工微结构超表面的荧光增强芯片
CN109799205A (zh) * 2019-02-20 2019-05-24 电子科技大学 一种平面薄膜结构的红外分子指纹传感器及其制备方法
CN115249432A (zh) * 2021-04-28 2022-10-28 中国科学院微电子研究所 一种防伪彩色标签及其制作方法和印刷品的制备方法
CN113588615A (zh) * 2021-07-29 2021-11-02 东北大学秦皇岛分校 一种基于spr的纳米半球体结构阵列的荧光增强装置
CN114324261A (zh) * 2021-12-30 2022-04-12 山西大学 一种测量金纳米粒子聚集体耦合强度的方法
CN114324261B (zh) * 2021-12-30 2023-09-22 山西大学 一种测量金纳米粒子聚集体耦合强度的方法

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