CN110133770A - 纳米线栅结构、荧光各向异性增强装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种纳米线栅结构、荧光各向异性增强装置及其制备方法。该纳米线栅结构为多个条状结构线栅平行排布形成，且其结构参数为：线栅周期300‑800纳米，线栅宽度50‑400纳米；所述多个条状结构线栅厚度为40‑60纳米，其材料为金属纳米结构超材料。该装置利用超材料表面等离激元共振产生的超强局域场和超小模体积，增强荧光材料的自发辐射率和荧光强度，通过调节纳米线栅结构的线宽调制荧光增强程度，并通过调节纳米线栅结构的周期控制荧光场增强方向，从而解决了现有材料荧光信号弱以及现有技术难以调制荧光增强程度和光场偏振方向的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及纳米材料和纳米光电子技术领域，具体涉及一种纳米线栅结构、荧光各向异性增强装置及其制备方法。
背景技术
强度可控的微纳光源在信号产生、信息传输、单分子照明、高灵敏传感、细胞无损探测等方面具有重要的应用价值，是光子集成技术研究的重点。近年兴起的新型二维晶体具有广泛的禁带选择性，涵盖从紫外到红外整个光谱范围，具备单原子层结构、力学稳定性、光电可调性和CMOS工艺兼容性等优异特性。但是较弱的自发辐射荧光限制了二维晶体作为微纳光源的实际应用。
实现荧光增强的途径有多种。化学上，通过荧光增效试剂来增强荧光，增效试剂能与荧光较弱的物质共价或非供价结合形成荧光配合物，提高有效吸光截面增强荧光，但是却不能控制增强程度和方向。物理上，在电致发光体系中，通过增加PN节正向偏压来增加偏置电流可以提高荧光强度，但是随着正向偏压的增加，势垒区变小，PN结消失，荧光也会消失。在光致发光体系中，最直接的手段是通过提高激发光功率来提高荧光强度，但是受材料光吸收能力的限制，荧光光强随激发光功率增加会迅速趋于饱和。
针对这一局限，各类光学共振腔开始被人们研究，因为共振腔可以改变荧光材料的介质环境，提高光子局域态密度，从而改变材料的自发辐射率。物理上用Purcell效应来描述荧光自发辐射增强效应，其中Purcell因子Fp是表达增强效果的最直接物理量。公式右边的Q是质量因子，取决于共振模线宽，V是模体积。Q越大，V越小，则Fp越大荧光增强越明显。随着时间延续，光学共振腔从分布布拉格反射腔、微碟共振腔、回音壁共振腔、光子晶体共振腔发展到最前沿的金属表面等离激元共振腔。共振腔材料从传统的介质发展到金属，共振模体积越来越小，从最初大于光波长到接近波长再到现在的几纳米。代表性工组有2004年Peter Lodahl报道的光子晶体控制量子点自发辐射的方法，指出荧光增强的主要原因是光子晶体结构改变了荧光材料的辐射寿命。
超材料的出现预示着光子器件可以不受光学衍射极限限制，向无限小型化发展。金属纳米结构超材料因超强的电磁场增强和局域能力以及结构的多样性和灵活性成为荧光增强和调制的重要技术手段。得益于超小的光学共振模体积，Purcell因子显著提高，使得荧光自发辐射率显著增强。2015年，美国西北大学的研究人员将银的纳米圆盘矩阵直接制备在二硫化钼单层表面，发现荧光光强有了12倍的增强。通过调节圆盘直径，荧光在不同波长处表现出了不同的增强效果。并指出荧光增强是表面等离子体共振模与激发场和辐射场耦合的结果。同年，美国宾夕法尼亚大学研究小组将三角形蝴蝶结金属纳米结构制备在二硫化钼单层表面，二者直接接触，使荧光强度有了高达三十倍的提高。通过调节蝴蝶结结构的周期，荧光也在不同波长处也出现了不同程度的增强。
综上，这些研究对二维晶体荧光增强现象和机理进行了描述和解释，但并未从应用的角度对超材料荧光调制技术进行探索，特别是没有对荧光的各向异性增强技术开展具体的研究，因此基于表面等离激元超材料开发一种能够实际应用的荧光各向异性增强装置是十分必要的。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种纳米线栅结构、荧光各向异性增强装置及其制备方法，该增强装置利用超材料表面等离激元共振产生的超强局域场和超小模体积，以增强荧光材料的自发辐射率和荧光强度，并通过调节纳米线栅结构的线宽调制荧光增强程度；利用超材料的各向异性共振模，产生各向异性荧光场，并通过调节纳米线栅结构的周期控制场增强方向和波长位置，具备简单、高效、可调节的特性，以解决现有材料荧光信号弱以及现有技术难以调制荧光增强程度和光场偏振方向的技术问题。
为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种纳米线栅结构。
该纳米线栅结构为多个条状结构线栅平行排布形成，且其结构参数为：线栅周期300-800纳米，线栅宽度50-400纳米；所述多个条状结构线栅厚度为40-60纳米，其材料为金属纳米结构超材料。
进一步的，所述金属纳米结构超材料为金、银或铝材料。
为了实现上述目的，根据本发明的第二方面，提供了一种荧光各向异性增强装置。
该荧光各向异性增强装置包括自下而上依次设置的高导电衬底、绝缘层、荧光层、透光介质层和上述的纳米线栅结构。
进一步的，所述高导电衬底为金属或者高掺杂硅衬底。
进一步的，所述绝缘层为二氧化硅层。
进一步的，所述荧光层为单层二维半导体。
进一步的，所述单层二维半导体为过渡金属硫族化合物原子层，所述过渡金属硫族化合物表示为MX2，其中M＝Mo或W；X＝S、Se、Te；所述单层二维半导体厚度为0-0.6纳米。
进一步的，所述透光介质层为三氧化二铝或二氧化硅层，厚度为10-40纳米。
进一步的，所述荧光层为有机荧光染料层；所述透光介质层为聚甲基丙烯酸甲酯层。
为了实现上述目的，根据本发明的第三方面，提供了一种荧光各向异性增强装置的制备方法。
该荧光各向异性增强装置的制备方法包括以下步骤：
(1)采用化学气相沉积法将荧光层生长在附有洁净绝缘层的高导电衬底上；
(2)采用电子束镀膜仪在所述荧光层上蒸镀一层透光介质层；
(3)采用电子束直写技术将周期性纳米线栅结构制备在所述透光介质层上，且其部分与荧光层重合；
(4)采用正电子束胶进行纳米线栅结构曝光和结构转移；
(5)经过金属镀膜将金属填充到正胶结构中，最后经除胶过程制得荧光各向异性增强装置。
本发明中荧光各向异性增强的物理机理是超材料各向异性表面等离激元共振。表面等离激元共振是由光引起的金属表面电子的集体共振行为；各向异性共振是指电磁场沿特定方向共振。只要入射光有平行或者垂直纳米线栅的电场分量，就可激发纳米线栅的各向异性共振行为，对相应方向的荧光信号进行增强。因此，本发明中的荧光各向异性增强装置，不但可以增强荧光，还可以对增强程度和方向进行控制。
除了各向异性增强，本发明中的荧光各向异性增强装置还可对荧光信号产生各向异性抑制。超材料集成在荧光材料上方，通常情况下，荧光被金属结构遮挡，遮挡效果与金属面积成正比。但是当超材料发生反射共振时，反射增强效应占主导会产生超强荧光抑制效果，这时金属的遮挡效果就不再与金属面积成正比。例如，完美反射情况下荧光可以被金属结构完全遮挡，产生完美荧光抑制。因纳米线栅的强反射在特定轴向产生，使得荧光抑制也有了方向性。
本发明中，纳米结构超材料与二维晶体集成产生的各向异性荧光光源将在纳米光传感、高分辨成像，生物结构检测领域发挥重要作用。例如，特殊电场方向的荧光信号增强会引起分子中某一结构的散射信号放大而被灵敏探测，有助于分子结构的精确分析，为医疗诊断和药物开发提供新型技术手段。将各向异性荧光增强用在照明和信号探测系统中，可以提高成像系统的分辨率，拍摄到更清晰的细胞组织像，获得更准确的组织结构变化信息，为病情诊断和康复过程提供依据。本发明提供的荧光各向异性增强方法将为单分子探测和生物医学研究注入新的活力。
本发明中的荧光各向异性增强装置具有以下优势：
(1)可以沿超材料轴向产生垂直方向的荧光场增强效应；
(2)可以使荧光信号沿超材料不同轴向产生不同程度的增强；
(3)可以使荧光信号在超材料不同轴向产生不同程度的抑制；
(4)荧光增强和抑制效应可以通过结构参量连续调制；
(5)具有较强的可控性和实用性。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1a为本发明中银纳米线栅-WS2单层集成器件结构示意图；
图1b为本发明中银纳米线栅结构SEM图(周期p＝400纳米，线宽w＝150纳米)；
图1c为本发明中银纳米线栅结构SEM图(周期P＝600纳米，线宽w＝300纳米)；
图2a为本发明中银纳米线栅-WS2单层集成器件光学显微成像(周期p＝400纳米，线宽w＝150纳米)；
图2b为本发明中银纳米线栅-WS2单层集成器件TE方向荧光成像(周期p＝400纳米，线宽w＝150纳米)；
图2c为本发明中银纳米线栅-WS2单层集成器件TM方向荧光成像(周期p＝400纳米，线宽w＝150纳米)；
图3a为本发明中极化分辨荧光光谱(周期p＝400纳米，线宽w＝150纳米)；其中，1号曲线：单层WS2在TE方向荧光光谱；2号曲线：单层WS2在TM方向荧光光谱；3号曲线：银纳米线栅-WS2单层集成器件TE方向荧光光谱；4号曲线：银纳米线栅-WS2单层集成器件TM方向荧光光谱；
图3b为本发明中银纳米线栅-WS2单层集成器件TE、TM方向荧光增强曲线(周期p＝400纳米，线宽w＝150纳米)；
图4a为本发明中银纳米线栅-WS2单层集成器件光学显微成像(周期p＝600纳米，线宽w＝300纳米)；
图4b为本发明中银纳米线栅-WS2单层集成器件TE方向荧光成像(周期p＝600纳米，线宽w＝300纳米)；
图4c为本发明中银纳米线栅-WS2单层集成器件TM方向荧光成像(周期p＝600纳米，线宽w＝300纳米)；
图5a为本发明中图4a-图4c所示银纳米线栅-WS2单层集成器件极化分辨荧光光谱(周期p＝600纳米，线宽w＝300纳米)；其中，1号曲线：WS2单层TE方向荧光谱；2号曲线：WS2单层TM方向荧光谱；3号曲线：纳米线栅-WS2单层TE方向荧光谱；4号曲线：纳米线栅-WS2单层TM方向荧光谱；
图5b为本发明中银纳米线栅-WS2单层集成器件TE、TM方向荧光增强曲线(周期p＝600纳米，线宽w＝300纳米)；
图6为本发明中银纳米线栅-WS2单层集成器件光学像与TE、TM方向荧光像分析对比图，其中，第一行：银纳米线栅-WS2单层集成器件光学像(周期p＝600纳米)，从左到右线宽w依次为100纳米、150纳米、200纳米、250纳米、300纳米；第二行：与第一行银纳米线栅-WS2单层集成器件光学像(周期p＝600纳米)相对应的TE方向荧光像；第三行：与第一行银纳米线栅-WS2单层集成器件光学像(周期p＝600纳米)相对应的TM方向荧光像；
图7为本发明中TE、TM方向荧光光谱分析对比图，其中，第一行：WS2单层和银纳米线栅-WS2单层集成器件TE方向荧光光谱，周期p＝600纳米；第二行：WS2单层和银纳米线栅-WS2单层集成器件TM方向荧光光谱，周期p＝600纳米。
图中：
1、高导电衬底；2、绝缘层；3、荧光层；4、透光介质层；5、纳米线栅结构；p、线栅周期；w、线栅宽度。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明公开了一种纳米线栅结构，如图1所示，该纳米线栅结构为多个条状结构线栅平行排布形成，且其结构参数为：线栅周期300-800纳米，线栅宽度50-400纳米；所述多个条状结构线栅厚度为40-60纳米，其材料为金属纳米结构超材料。进一步地，金属纳米结构超材料为金、银或铝材料。
优选地，金属纳米结构超材料为银材料。
在本实施例中，纳米线栅结构由多个条状结构线栅平行设置形成，其结构参数为：线栅周期300-800纳米，线栅宽度50-400纳米，其中，多个条状结构线栅厚度在40-60纳米之间，平行条状结构线栅的原材料为金属纳米结构超材料，且金属纳米结构超材料包括金、银或铝材料中的任一种，作为优选实施方式，本发明实施例采用银纳米结构超材料。本发明中线栅周期在300-800纳米之间，线栅宽度在50-400纳米之间以及线栅厚度在40-60纳米之间，均是为了让纳米结构适合调节波长在可见光范围的荧光信号。
本发明公开了一种荧光各向异性增强装置，如图1-3所示，该荧光各向异性增强装置包括自下而上依次设置的高导电衬底1、绝缘层2、荧光层3、透光介质层4和纳米线栅结构5，且纳米线栅结构5为上述的纳米线栅结构。
在本实施例中，荧光各向异性增强装置为层状结构装置，底层为高导电衬底1，在高导电衬底1上面设置有绝缘层2，荧光层3设置在绝缘2层上，在荧光层3上设置有透光介质层4，透光介质层4的作用是隔绝敏感分子，提高荧光材料寿命，纳米线栅结构5位于透光介质层4上。
进一步地，高导电衬底1为金属或者高掺杂硅衬底。
进一步地，绝缘层2为二氧化硅层，绝缘层2的材料为二氧化硅。
进一步地，荧光层3为单层二维半导体。
进一步地，单层二维半导体为过渡金属硫族化合物原子层，过渡金属硫族化合物表示为MX2，其中M＝Mo或W；X＝S、Se、Te；单层二维半导体厚度为0-0.6纳米。
进一步地，透光介质层4为三氧化二铝或二氧化硅层，厚度为10-40纳米。透光介质层4的材料为三氧化二铝或二氧化硅，厚度在10-40纳米范围内，由于超材料表面等离激元共振场在金属表面衰减很快，因此介质材料不宜太厚。
作为一种实施方式，荧光层3为有机荧光染料层；透光介质层4为聚甲基丙烯酸甲酯层。
采用本实施例所示装置和方法，荧光层3的材料还可以为有机荧光染料，透光介质层4的材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，将有机荧光染料掺入聚甲基丙烯酸甲酯PMMA中，混合均匀并旋涂在二氧化硅/硅衬底1上，交联固化，再将纳米线栅结构5制备在PMMA上，得到荧光各向异性增强装置，其也能够对荧光强度进行有效增强及调制。
本发明公开了一种荧光各向异性增强装置的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用化学气相沉积法将二维晶体单层生长在附有洁净绝缘层的高导电衬底上；
(2)采用电子束镀膜仪在所述二维晶体上蒸镀一层透光介质层；
(3)采用电子束直写技术将周期性纳米结构制备在所述透光介质层上，且部分与发光材料重合；
(4)采用正电子束胶进行超材料结构曝光和结构转移；
(5)经过金属镀膜将金属填充到正胶结构中，最后经除胶过程制得超材料。
为了使得本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明作详细的说明。
图1a为银纳米线栅-WS2单层集成器件结构示意图，该银纳米线栅-WS2单层集成器件的结构从下往上依次为硅衬底、SiO2绝缘层、单层WS2、Al2O3透光介质层和银纳米线栅结构。其中，银纳米线栅结构的周期p在300-800纳米之间，线宽w在50-400纳米之间，并且周期p和线宽w均可调节。纳米线栅结构采用电子束直写技术制备，用正电子束胶PMMA950K来完成纳米线栅结构曝光和结构转移，最后经过金属镀膜和除胶过程制得。
图1b为周期p＝400纳米、线宽w＝150纳米的银纳米线栅结构扫描电镜(SEM)图。
图1c为周期p＝600纳米、线宽w＝300纳米的银纳米线栅结构扫描电镜(SEM)图。
图2a为银纳米线栅-WS2单层集成器件光学显微成像，从图2a中可以看出，单层WS2荧光层部分被银纳米线栅(左侧Ag+WS2区域)盖住，部分漏出，银线栅周期p/线宽w为400/150纳米。
图2b为银纳米线栅-WS2单层集成器件TE方向荧光成像，银线栅周期p/线宽w为400/150纳米，极性分辨荧光像通过荧光显微镜采集，在普通光学显微镜上搭载激发光路、边带滤光片和高灵敏成像CCD形成成像系统，用100X物镜将入射激光汇聚到样品上激发，同时对荧光信号进行收集。在CCD前放置偏振片对想要探测的荧光方向进行选择。从图2b中可以得出，被银纳米线栅结构覆盖的区域光强较强，说明银纳米线栅结构起到了增强荧光信号的作用。
图2c为银纳米线栅-WS2单层集成器件TM方向荧光成像，银线栅周期p/线宽w为400/150纳米，从图2c中可以得出，被银纳米线栅结构覆盖的区域光强显著增加，说明银纳米线栅结构起到了增强荧光信号的作用，而相比较于图2b中的TE方向荧光成像，说明银纳米线栅结构对TM方向的荧光起到大幅度增强效果。
图3a为极化分辨荧光光谱，极化分辨通过在光谱仪入射狭缝前放置偏振片实现。其中，银纳米线栅结构的周期p＝400纳米，线宽w＝150纳米，1和2号曲线分别是单层WS2在TE、TM方向荧光光谱；3号曲线是银纳米线栅-WS2单层集成器件TE方向荧光光谱；4号曲线是银纳米线栅-WS2单层集成器件TM方向荧光光谱。
从图3a中可以分析得出，1和2号两条曲线基本重合，说明出射荧光没有极性；3号曲线分别在640纳米和760纳米处出现荧光峰，本质上对应WS2的中性激子和缺陷发光。对于TE方向荧光谱，在640纳米处，银纳米线栅-WS2单层集成器件的荧光强度是单层WS2荧光强度的1.3倍，说明银纳米线栅结构覆盖的区域荧光得到增强；在760纳米处，银纳米线栅-WS2单层集成器件的荧光强度比WS2单层略高，说明银纳米线栅结构在此波长处的荧光增强效应较弱。由此可见，在平行于银纳米线栅结构的方向(TE方向)，不论激子荧光还是缺陷荧光，都可被周期p＝400纳米的银纳米线栅结构增强，但是增强效果不强。4号曲线也分别在640纳米和760纳米处出现荧光峰，在640纳米处，银纳米线栅-WS2单层集成器件荧光强度是WS2单层荧光强度的0.7倍，说明金属结构对荧光强度产生了抑制；在760纳米处，银纳米线栅-WS2单层集成器件的荧光强度是WS2单层荧光强度的7倍，说明在TM方向上，周期p＝400纳米的银纳米线栅结构对缺陷荧光起到显著的增强效果。并且图3a与荧光成像图(图2b-图2c)有很好的吻合。
图3b为银纳米线栅-WS2单层集成器件TE、TM方向荧光增强曲线，周期p＝400纳米，线宽w＝150纳米，图3b表征的是荧光增强效应，代表的是银纳米线栅-WS2单层集成器件与WS2单层荧光强度的比值。从TM方向荧光增强曲线可以看出，周期p＝400纳米的银纳米线栅结构对TM极化缺陷荧光有显著增强效果，这是由该处TM方向表面等离激元共振模决定的。
图4a为银纳米线栅-WS2单层集成器件光学显微成像，银纳米线栅结构周期p＝600纳米，线宽w＝300纳米，WS2单层部分被银纳米线栅结构盖住，部分漏出。
图4b为银纳米线栅-WS2单层集成器件TE方向荧光成像，周期p＝400纳米，线宽w＝150纳米，从图4b中可以得出，被银纳米线栅结构覆盖的区域荧光得到增强。
图4c为银纳米线栅-WS2单层集成器件TM方向荧光成像，周期p＝400纳米，线宽w＝150纳米，从图4c中可以得出，被银纳米线栅结构覆盖的区域荧光得到抑制，荧光变得很暗，说明抑制效果非常明显。
图5a为图4a-图4c中所示银纳米线栅-WS2单层集成器件的极化分辨荧光光谱，线栅p＝600纳米，w＝300纳米。极化分辨通过在光谱仪入射狭缝前放置偏振片实现。其中，1和2号曲线分别是WS2单层TE、TM方向荧光光谱；3号曲线是银纳米线栅-WS2单层集成器件TE方向荧光光谱；4号曲线是银纳米线栅-WS2单层集成器件TM方向荧光光谱。
从图5a中可以分析得出，1和2号两条曲线基本重合，说明出射荧光没有极性。3号曲线在640纳米和760纳米处的荧光峰，本质上对应了WS2的中性激子和缺陷发光。在640纳米处，银纳米线栅-WS2单层集成器件荧光强度是WS2单层荧光强度的1.6倍，在740纳米处，银纳米线栅-WS2单层集成器件荧光强度是WS2单层荧光强度的5.5倍(图5b)，说明不论激子荧光还是缺陷荧光，都可被周期p＝600纳米的银纳米光栅结构在平行于光栅的方向上增强，增强效果相比周期p＝400纳米的银纳米线栅结构较强。4号曲线也在640纳米和760纳米处出现荧光峰，在640纳米处，银纳米线栅-WS2单层集成器件荧光强度是WS2单层的0.4倍，说明周期p＝600纳米的银纳米线栅结构对TM方向中性激子荧光场起到非常高的抑制作用，且抑制效果比周期p＝400纳米的银纳米线栅结构要强。而银纳米线栅-WS2单层集成器件的缺陷荧光峰迁移到780纳米波长处，强度相比WS2单层有近两倍的提高(图5b)，说明相比TE方向，周期p＝600纳米的银纳米线栅结构对TM方向缺陷荧光场的增强效果较弱。并且上述光谱测量结果和荧光成像图(图4b-图4c)有很好的吻合。
图6为银纳米线栅-WS2单层集成器件光学像与TE、TM方向荧光像分析对比图，其中，第一行是周期p＝600纳米的银纳米线栅-WS2单层集成器件光学显微成像。为方便比较，WS2单层部分被银纳米线栅结构盖住(左侧Ag+WS2区域)，部分漏出。从左到右，银纳米线栅线宽w依次是100纳米、150纳米、200纳米、250纳米和300纳米。第二行是TE方向荧光成像，被银纳米线栅结构覆盖的区域荧光得到增强。第三行是TM方向荧光成像，被银纳米线栅结构覆盖的区域荧光得到抑制，且从左到右随着线栅宽度w的增大，抑制效果越来越明显。
图7是TE、TM方向荧光光谱分析对比图，其中，第一行是周期p＝600纳米的银纳米线栅-WS2单层集成器件TE方向荧光光谱，通过将偏振片的光轴调至平行于线栅长轴方向进行采集，两条曲线分别代表WS2单层和银纳米线栅-WS2单层集成器件TE方向荧光光谱。从图中可以得出，从左到右随线栅宽度w增加，对于中性激子荧光，银纳米线栅-WS2单层集成器件相比WS2单层的荧光光强分别有2.0、1.5、1.45、1.4和1.3倍的增强，增强效果依次减弱。第二行是TM方向荧光光谱，通过将偏振片的出光轴调至垂直于线栅长轴的角度进行光谱采集。两条曲线分别代表WS2单层和集成器件TM方向荧光光谱。从图中可以看出，从左到右随线栅宽度w增加，对于中性激子荧光，银纳米线栅-WS2单层集成器件相比WS2单层的荧光光强分别有0.7、0.5、0.45、0.4和0.32倍的增强，增强效果依次减弱，说明周期p＝600纳米的银纳米线栅结构在TM方向的荧光抑制效果逐渐增强。并且，该结果也说明银纳米线栅结构的线宽w可以对荧光增强和抑制效果连续调制。
在本实施例中，超材料周期p和线宽w是调控表面等离激元共振模频率、强度、和方向的主要结构参量。第一，改变周期p可以改变表面等离激元共振模共振电场方向，使不同周期的超材料在相同频率处产生相互垂直的共振场，并实现垂直方向的荧光自发辐射增强；第二，周期p确定的条件下改变线宽w，可以使荧光信号在超材料特定轴向产生不同程度的或连续的增强，从而使荧光强度可调；第三，为了对不同波长的荧光信号进行调节，需要针对荧光波长改变超材料周期w，以改变表面等离激元共振位置，达到共振场与荧光场的交叠，从而产生荧光增强信号。例如，单层二硫化钨荧光波长在630纳米附近，可以选择600-800纳米周期的线栅结构，使各向异性表面等离激元共振在600-700纳米附近产生，然后进一步调节线栅宽度，使超材料共振场在荧光波长附近移动从而对荧光光强产生连续增强。
此外，为了推广应用，本发明采用有机荧光染料作为荧光材料，形成荧光层3，将有机荧光染料掺入透明介质PMMA中，混合均匀并旋涂在二氧化硅/硅衬底1上，交联固化，再将纳米线栅结构5制备在PMMA上，得到荧光各向异性增强装置，其也能够对荧光强度进行有效增强及调制。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种纳米线栅结构，其特征在于，所述纳米线栅结构为多个条状结构线栅平行排布形成，且其结构参数为：线栅周期300-800纳米，线栅宽度50-400纳米；所述多个条状结构线栅厚度为40-60纳米，其材料为金属纳米结构超材料。
2.根据权利要求1所述的纳米线栅结构，其特征在于，所述金属纳米结构超材料为金、银或铝材料。
3.一种荧光各向异性增强装置，其特征在于，所述装置包括自下而上依次设置的高导电衬底(1)、绝缘层(2)、荧光层(3)、透光介质层(4)和纳米线栅结构(5)，并且所述纳米线栅结构(5)为权利要求1-2任一项所述的纳米线栅结构。
4.根据权利要求3所述的荧光各向异性增强装置，其特征在于，所述高导电衬底(1)为金属或者高掺杂硅衬底。
5.根据权利要求3所述的荧光各向异性增强装置，其特征在于，所述绝缘层(2)为二氧化硅层。
6.根据权利要求3所述的荧光各向异性增强装置，其特征在于，所述荧光层(3)为单层二维半导体。
7.根据权利要求6所述的荧光各向异性增强装置，其特征在于，所述单层二维半导体为过渡金属硫族化合物原子层，所述过渡金属硫族化合物表示为MX2，其中M＝Mo或W；X＝S、Se、Te；所述单层二维半导体厚度为0-0.6纳米。
8.根据权利要求3所述的荧光各向异性增强装置，其特征在于，所述透光介质层(4)为三氧化二铝或二氧化硅层，厚度为10-40纳米。
9.根据权利要求3所述的荧光各向异性增强装置，其特征在于，所述荧光层(3)为有机荧光染料层；所述透光介质层(4)为聚甲基丙烯酸甲酯层。
10.如权利要求3-9任一项所述的荧光各向异性增强装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用化学气相沉积法将荧光层生长在附有洁净绝缘层的高导电衬底上；
(2)采用电子束镀膜仪在所述荧光层上蒸镀一层透光介质层；
(3)采用电子束直写技术将周期性纳米线栅结构制备在所述透光介质层上，且其部分与荧光层重合；
(4)采用正电子束胶进行纳米线栅结构曝光和结构转移；
(5)经过金属镀膜将金属填充到正胶结构中，最后经除胶过程制得荧光各向异性增强装置。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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