CN111175895A - 一种稀土荧光增强天线及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种稀土荧光增强天线，包括玻璃基底，所述玻璃基底上固定设置有多个带介质材料的周期性光栅，所述带介质材料的周期性光栅包括固定设置在中间层的发光层，固定设置在发光层顶部和底部的金属Ag纳米层，以及固定设置在上层金属Ag纳米层顶部和下层金属Ag纳米层底部的保护膜；所述发光层为掺杂有稀土Eu发光量子点的介质膜；本发明采用剥离法或者光刻蚀法制备。本发明提供一种新型的基于表面等离子体增强的光栅超材料稀土辐射增强天线结构，通过在光栅内部介质层中形成磁场热电来提高稀土元素自发辐射发光效应。

Description

一种稀土荧光增强天线及其制备方法
技术领域
本发明涉及等离子体超材料技术领域，具体涉及一种稀土荧光增强天线及其制备方法。
背景技术
超材料是一种亚波长结构尺寸的人工设计结构材料，基于其独特的电磁学特性，在近期科学界引起了强烈的兴趣与关注。人们通过设计和控制超材料的单元结构组成进而调控结构的介电常数ε以及磁导率μ，使其表现出自然材料所没有的特异性能。2000年Smith等人设计出的超材料结构首次实现在特定微波波段具有双负特性，让人们了解到新型材料实现的可能性，此后一些前所未有的新型概念材料相继提出，例如区别于传统材料的负折射材料，具备特殊吸波能力的吸波器，分辨率小于衍射极限的完美透镜，微型纳米天线，还有只存在于科幻世界中的隐身器件等等，这些研究热点让科学界对材料科学的发展有了充满想象的全新认知。
在超材料研究延展出的各种各样的热点领域中，光学磁性超材料无疑是其中最具发展前景，实用价值和产业化潜力的的应用分支。同时，在过去几十年随着点源发射领域的不断扩展，诸如点光子源、纳米激光器、信号探测等研究方向获得极大关注，如何利用微纳米结构实现电偶极子和磁偶极子跃迁的控制成为了科研难关。近些年来，除了在发射表面、波导、微腔、光子晶体等方面研究有所成果，人们逐渐把关注点放在利用磁性超材料的形成的高局域电磁场影响偶极子跃迁上。
一般来说，组成自然界中物质的原子对光波等电磁场的电场分量的响应较为强烈，而对磁场分量的响应十分微弱，这导致电磁场的两只“手”中，电的这只手发挥了作用表征磁的这只“手”的信息和作用被忽视，然而磁性超材料使得磁分量的作用逐渐发挥起来。为了将光波的电场和磁场谐振效应同时发挥出来，金属与介质复合材料组成的超材料结构被认为是目前最理想的结构。
目前的磁性超材料设计原则主要围绕如何在结构内部形成由自由电荷组成的环形电流，并以此在周围空间产生足够强烈的磁共振，最为经典的结构为开口谐振环结构(Split Resonant Rings)，并由此引申出一系列的诸如双环结构、回字形结构等变形式。这些结构都是引导自由电荷在沿着金属线形成电流环路进而产生磁响应，但这些磁谐振往往出现在微波波段和红外波段，出于制备的限制很难通过减小结构尺寸的方式将响应波长移至可见光范围。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种稀土荧光增强天线及其制备方法，提供了一种新型的基于表面等离子体增强的光栅超材料稀土辐射增强天线结构，通过在光栅内部介质层中形成磁场热电来提高稀土元素自发辐射发光效应。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种稀土荧光增强天线，包括玻璃基底，所述玻璃基底上固定设置有多个带介质材料的周期性光栅，所述带介质材料的周期性光栅包括固定设置在中间层的发光层，固定设置在发光层顶部和底部的金属Ag纳米层；所述发光层为掺杂有稀土Eu发光量子点的介质膜。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述带介质材料的周期性光栅顶部和底部设置有保护膜。
优选的，所述保护膜为Al2O3膜，厚度为10nm。
进一步，所述金属Ag纳米层的厚度为30nm。
进一步，所述发光层选用Al2O3作为介质材料，在其中掺杂有稀土Eu发光量子点。
优选的，所述发光层的厚度为30nm。
进一步，所述发光层中掺杂的稀土Eu发光量子点为无机稀土Eu发光量子点和/或有机稀土Eu发光量子点。
进一步，所述带介质材料的周期性光栅的宽度为80nm。
进一步，所述带介质材料的周期性光栅在TE模式的入射场的波矢k垂直于玻璃基底入射，磁场方向平行于带介质材料的周期性光栅的宽度方向，电场沿着光栅的无限长方向时，光栅尺寸排列周期为240nm。
本发明还提供了上述稀土荧光增强天线的制备方法的技术方案，包括以下步骤：
a)玻璃基底的清洗：
先后利用丙酮、异丙醇超声除去表面的杂质，而后用去离子水清洗后吹干；
b)玻璃基底的处理：用沟槽刻蚀的方式处理清洗后的玻璃基底；
c)利用光刻蚀法或剥离法在玻璃基底上制备带介质材料的周期性光栅，完成稀土荧光增强天线的制备。
优选的，所述步骤a)中，在先后利用丙酮、异丙醇超声除去表面的杂质后，在1:1的浓硫酸和双氧水的混合溶液中浸泡，最后用去离子水清洗后吹干；
进一步，所述光刻蚀法包括以下步骤：
1)在玻璃基底上涂覆一层Al2O3膜；
2)利用电子束镀膜机先对真空腔初抽和精抽至2×10-5Pa以下真空度，然后低速在Al2O3膜上完成30nm的金属Ag纳米层镀膜；
3)用烧结法制备Al2O3介质层；
4)采用粉末烧结方式制备无机稀土Eu发光量子点，采用加热浓缩法合成有机稀土Eu发光量子点，将无机稀土Eu发光量子点和/或有机稀土Eu发光量子点掺杂到Al2O3介质层中，并将Al2O3介质层复合到步骤2)的金属Ag纳米层上，完成发光层的制备；
5)在发光层上采用与步骤2)相同的方式完成金属Ag纳米层镀膜；
6)在金属Ag纳米层表面涂覆一层Al2O3膜；
7)将电子束曝光用PMMA抗蚀剂在匀胶机2000r/min的转速下旋涂1min，在最表层Al2O3膜上制备出PMMA抗蚀剂膜，并将样品烘干；
8)进行刻蚀图形设计，依据图形设计将样品投入显影液中显影，除去被曝光的PMMA抗蚀剂；
10)利用反应离子束刻蚀机将未被PMMA抗蚀剂遮挡的部分刻蚀掉；
11)最后利用去胶液除去PMMA抗蚀剂。
进一步，所述剥离法包括以下步骤：
1)将电子束曝光用PMMA抗蚀剂在匀胶机2000r/min的转速下旋涂在玻璃基底上，制备出PMMA抗蚀剂膜，并将样品烘干；
2)进行图形设计，依据图形设计将样品投入显影液中显影，除去被曝光的PMMA抗蚀剂；
3)重复刻蚀法的步骤1)～步骤6)，在图形化的PMMA抗蚀剂膜制备带介质材料的周期性光栅；
4)利用剥离液溶解掉露出的PMMA抗蚀剂，使得溶解掉的PMMA抗蚀剂上方的带介质材料的周期性光栅失去依附而脱落。
进一步，所述无机稀土Eu发光量子点的制备包括以下步骤：
1)将3ml的H2O，1g的Y(NO3)3·6H2O，0.06g的Eu(NO3)3·6H2O和0.41g的尿素混合在30ml的烧杯中，在室温下搅拌，使得物质充分溶解并混合均匀；
2)将溶液转移到烧结炉中，在N2气氛500℃下加热，直至反应炉中有棕色气体产生并逐渐消散；
3)将反应产物转移到适应烧杯中，继续在在N2气氛850℃下加热24h，最后进行研磨，得到纳米晶体结构的机稀土Eu发光量子点。
进一步，所述有机稀土Eu发光量子点的制备包括以下步骤：
1)称取0.7gEu(NO3)3·6H2O，加入到20ml乙醇中，搅拌使得Eu(NO3)3·6H2O完全溶解；
2)量取1ml的HFA，加入20ml乙醇，搅拌混合，使得HFA完全溶解；
3)将步骤1)和步骤2)的两种溶液充分混合，搅拌；
4)设置水浴锅的温度为50℃，将步骤3)所得混合溶液放入其中，加热浓缩直到乙醇溶液完全挥发；
5)用乙醇对最终产物进行洗涤，然后放入干燥箱内50℃下进行干燥处理，得到有机稀土Eu发光量子点。
进一步，所述无机稀土Eu发光量子点和/或有机稀土Eu发光量子点掺杂到Al2O3介质层中采用以下步骤：将普通PMMA颗粒溶解到氯仿中配制质量比为0.5％的混合溶液，并将制备好的无机稀土Eu发光量子点和/或有机稀土Eu发光量子点溶解在混合液中，用200nm滤膜进行过滤后取得滤液，利用匀胶2000r/min的转速下在Al2O3介质层旋涂滤液，完成无机稀土Eu发光量子点和/或有机稀土Eu发光量子点的掺杂。
优选的，旋涂无机稀土Eu发光量子点和/或有机稀土Eu发光量子点滤液时，需要在带介质材料的周期性光栅的光栅间隙中旋涂滤液。
本发明的有益效果是：1)采用本发明公开材料与结构，能够充分利用金属介质磁性超材料结构的性能，并挖掘其潜能，在其内部形成强磁场效应，最终在可见光波段磁场最大增强效应达到80倍以上；2)本发明采用极其新颖的多层三明治光栅结构，通过将稀土发光量子点通过PMMA掺杂旋涂到三明治结构的中间隔层中，利用金属Ag光栅条在中间隔层产生的磁场放大作用，实现了对稀土量子点Eu的自发辐射远场放大作用，放大倍数最大可达80倍，和磁场增强效应相吻合；3)本发明公开的无机和有机稀土量子点的制备方法，采用工业上已经成熟的粉末烧结法和水浴加热法，适合大批量生产并应用于各个方向，能够制备出发光效应较好的无机和有机稀土Eu发光量子点，适用于本发明中三明治结构的稀土元素掺杂。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明光栅的结构示意图；
图3是本发明光栅进行制备时流程顺序图；
图4是本发明无机稀土发光量子点的XRD图
图5是本发明无机稀土发光量子点的发光谱线图；
图6是本发明有机稀土发光量子点的发光谱线；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、发光层，2、金属Ag纳米层，3、玻璃基底，4、保护膜。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，本发明设计的一种稀土荧光增强天线，包括玻璃基底3，所述玻璃基底3上固定设置有多个带介质材料的周期性光栅，所述带介质材料的周期性光栅包括固定设置在中间层的发光层1，固定设置在发光层1顶部和底部的金属Ag纳米层2，以及固定设置在上层金属Ag纳米层2顶部和下层金属Ag纳米层2底部的保护膜4。所述发光层1为掺杂有稀土Eu发光量子点的介质膜。
优选的，所述发光层选用Al2O3作为介质材料，在其中掺杂有稀土Eu发光量子点，所述发光层的厚度为30nm。
优选的，所述发光层中掺杂的稀土Eu发光量子点为无机稀土Eu发光量子点和/或有机稀土Eu发光量子点。
本发明的玻璃基底3优选采用ITO玻璃材料。
本发明中采用的超材料结构为成对纳米条的改进类型，考虑到纳米棒状结构所影响的范围有限，将其改进为上下层为金属平行条，中间夹层为介质材料的三明治周期性光栅结构。基于所研究的电磁场波段和不同层的材料的功能，对三明治结构的各层结构材料选择做出完备考虑。
在微波频段的超材料设计的早期过程中，由于在印制电路板中得到广泛应用，铜被用来制备诸如开口谐振环等超材料结构单元。随着所关注的波段不断向短波长移动，金、银等贵金属材料逐渐进入视野。由于金具有抗氧化等稳定的化学物理性能，在微纳米加工中具备良好的加工成型性能，在红外波段其往往是首选的金属材料。但是在可见光等高频波段，相同条件下金的的吸收损耗超过了银的三倍，这主要是因为主导金的吸收的带间跃迁主要集中在可见光波段，考虑到所研究频段的限制，本发明中的三明治结构选用吸收损耗较小，同时导电性能较好的银作为首选的金属材料。
由于上下层的金属结构起到了形成磁谐振的作用而在两者之间的空间形成了磁热点效应，而中间层不仅要起到分隔上下两层金属的作用，同时还要尽可能将形成的磁热点局域在夹层之间，这就需要中间层材料的折射率远远大于周围自由空间的折射率(理想情况下我们认为周围为真空状态)。符合这类性质的常见的介质材料有半导体材料和金属氧化物材料。诸如Si，Ge之类的半导体材料虽然具有较大的介电常数实部，但是其虚部同样也使得其存在较高的电磁损耗。结合上述比较，本发明选择折射率n>1.6的Al2O3作为中间层介质材料，一方面可以通过全反射作用很好的将电磁场限制在中间层，另一方面起到了发光材料的衬底作用。
如图1所示，本发明还提供了改进的技术方案，在改进的技术方案中，所述带介质材料的周期性光栅顶部和底部设置有保护膜4。
优选的，所述保护膜4为Al2O3膜，厚度为10nm。
为了制备的可靠性，在下层的银膜下设计一层Al2O3薄膜，同时上层银膜上加上一层Al2O3薄膜以防止Ag膜被空气氧化。
如图2所示，本发明还提供了改进的技术方案，在改进的技术方案中，所述金属Ag纳米层2的厚度为30nm。
如图2所示，本发明还提供了改进的技术方案，在改进的技术方案中，所述带介质材料的周期性光栅的宽度为80nm。
如图2所示，本发明还提供了改进的技术方案，在改进的技术方案中，所述带介质材料的周期性光栅在TE模式的入射场的波矢k垂直于玻璃基底入射，磁场方向平行于带介质材料的周期性光栅的宽度方向，电场沿着光栅的无限长方向时，光栅尺寸排列周期为240nm。
如图3所示，本发明的稀土荧光增强天线采用以下方法制备，包括如下步骤：
a)玻璃基底3的清洗：先后利用丙酮、异丙醇超声除去表面的杂质，而后用去离子水清洗后吹干；
b)玻璃基底的处理：用沟槽刻蚀的方式处理清洗后的玻璃基底；
c)利用光刻蚀法或剥离法在玻璃基底上制备带介质材料的周期性光栅，完成稀土荧光增强天线的制备。
优选的，所述步骤a)中，在先后利用丙酮、异丙醇超声除去表面的杂质后，在1:1的浓硫酸和双氧水的混合溶液中浸泡，最后用去离子水清洗后吹干。
通过电子束曝光工艺实现结构的图案化往往需要和薄膜制备工艺、刻蚀技术以及剥离工艺相结合，才能制备出完整的微纳结构。大体上看，可以将上述过程按照所使用的工艺技术分为刻蚀法和剥离法。
所述光刻蚀法包括以下步骤：
1)在玻璃基底3上涂覆一层Al2O3膜；
2)利用电子束镀膜机先对真空腔初抽和精抽至2×10-5Pa以下真空度，然后低速在Al2O3膜上完成30nm的金属Ag纳米层2镀膜；
3)用烧结法制备Al2O3介质层；
4)采用粉末烧结方式制备无机稀土Eu发光量子点，采用加热浓缩法合成有机稀土Eu发光量子点，将无机稀土Eu发光量子点和/或有机稀土Eu发光量子点掺杂到Al2O3介质层中，并将Al2O3介质层复合到步骤2)的金属Ag纳米层2上，完成发光层1的制备；
5)在发光层上采用与步骤2)相同的方式完成金属Ag纳米层2镀膜；
6)在金属Ag纳米层2表面涂覆一层Al2O3膜；
7)将电子束曝光用PMMA抗蚀剂在匀胶机2000r/min的转速下旋涂1min，在最表层Al2O3膜上制备出PMMA抗蚀剂膜，并将样品烘干；
8)进行刻蚀图形设计，依据图形设计将样品投入显影液中显影，除去被曝光的PMMA抗蚀剂；
10)利用反应离子束刻蚀机将未被PMMA抗蚀剂遮挡的部分刻蚀掉；
11)最后利用去胶液除去PMMA抗蚀剂。
所述剥离法包括以下步骤：
1)将电子束曝光用PMMA抗蚀剂在匀胶机2000r/min的转速下旋涂在玻璃基底3上，制备出PMMA抗蚀剂膜，并将样品烘干；
2)进行图形设计，依据图形设计将样品投入显影液中显影，除去被曝光的PMMA抗蚀剂；
3)重复刻蚀法的步骤1)～步骤6)，在图形化的PMMA抗蚀剂膜制备带介质材料的周期性光栅；
4)利用剥离液溶解掉露出的PMMA抗蚀剂，使得溶解掉的PMMA抗蚀剂上方的带介质材料的周期性光栅失去依附而脱落。
所述无机稀土Eu发光量子点的制备包括以下步骤：
1)将3ml的H2O，1g的Y(NO3)3·6H2O，0.06g的Eu(NO3)3·6H2O和0.41g的尿素混合在30ml的烧杯中，在室温下搅拌，使得物质充分溶解并混合均匀；
2)将溶液转移到烧结炉中，在N2气氛500℃下加热，直至反应炉中有棕色气体产生并逐渐消散；
3)将反应产物转移到适应烧杯中，继续在在N2气氛850℃下加热24h，最后进行研磨，得到纳米晶体结构的机稀土Eu发光量子点。
具体可采用以下步骤：
1)将3ml的H2O，1g的Y(NO3)3·6H2O(99.9％)，0.06g的Eu(NO3)3·6H2O(99.9％)和0.41g的尿素(99％)混合在30ml的烧杯中，值得注意的是最好将化学药品加入到H2O中，而不是用H2O来溶解这些化学物质。
2)在室温下搅拌30min，使得物质充分溶解并混合均匀。
3)将溶液转移到烧结炉中，在N2气氛500℃下加热10min左右，观察到反应炉中有棕色气体产生并逐渐消散，此为反应放出的有色气体NO2，需要注意的是，由于NO2气体对呼吸系统有损害，加热过程中保证炉子始终处于关闭状态，并带好口罩防止吸入NO2。
4)反应产生的气体使得反应物为蓬松的多空粉末，将反应产物转移到适应烧杯中，继续在在N2气氛850℃下加热24h左右，最后进行研磨，使得到的最终的产物为纳米晶体结构。
所述有机稀土Eu发光量子点的制备包括以下步骤：
1)称取0.7gEu(NO3)3·6H2O，加入到20ml乙醇中，搅拌使得Eu(NO3)3·6H2O完全溶解；
2)量取1ml的HFA，加入20ml乙醇，搅拌混合，使得HFA完全溶解；
3)将步骤1)和步骤2)的两种溶液充分混合，搅拌；
4)设置水浴锅的温度为50℃，将步骤3)所得混合溶液放入其中，加热浓缩直到乙醇溶液完全挥发；
5)用乙醇对最终产物进行洗涤，然后放入干燥箱内50℃下进行干燥处理，得到有机稀土Eu发光量子点。
具体可采用以下步骤：
1)称取0.7gEu(NO3)3·6H2O，加入到20ml乙醇中，搅拌使得Eu(NO3)3·6H2O完全溶解其中。
2)量取1ml的HFA，加入20ml乙醇，搅拌混合数分钟，使得HFA完全溶解其中。
3)将上述两种溶液充分混合，搅拌1h左右
4)设置水浴锅的温度为50℃，将所得混合溶液放入其中，加热浓缩直到乙醇溶液完全挥发。
5)用乙醇对最终产物进行洗涤，然后放入干燥箱内50℃下进行干燥处理，得到最终产物Eu(HFA)3。
所述无机稀土Eu发光量子点和/或有机稀土Eu发光量子点掺杂到Al2O3介质层中采用以下步骤：将普通PMMA颗粒溶解到氯仿中配制质量比为0.5％的混合溶液，并将制备好的无机稀土Eu发光量子点和/或有机稀土Eu发光量子点溶解在混合液中，用200nm滤膜进行过滤后取得滤液，利用匀胶2000r/min的转速下在Al2O3介质层和带介质材料的周期性光栅的光栅间隙中旋涂滤液，完成无机稀土Eu发光量子点和/或有机稀土Eu发光量子点的掺杂。
实施例1
光刻蚀法制备的稀土荧光增强天线
1)玻璃基底3清洗：为了除去ITO导电玻璃表面的杂质，先后利用丙酮、异丙醇超声10min左右，后在浓硫酸和双氧水(1:1)的溶液中浸泡10min，最后用去离子水清洗后吹干即可。
2)玻璃基底3的处理：用沟槽刻蚀的方式处理清洗后的ITO导电玻璃。
3)制备带介质材料的周期性光栅：
a)在ITO导电玻璃表面涂覆一层10nm的Al2O3膜作为保护膜4；
b)金属Ag纳米层2的制备：考虑到金属膜的膜厚和质量保证，利用电子束镀膜机在保护膜4表面镀膜，先对真空腔初抽和精抽至2×10-5Pa以下真空度，然后利用较低的速率完成30nm左右Ag膜镀膜过程，完成金属Ag纳米层2的镀膜；
c)发光层1的制备；用烧结法制备Al2O3介质层；将一定量的普通PMMA颗粒溶解到氯仿中配制质量比为0.5％的混合溶液，并将制备好的有机稀土配合物Eu(HFA)3在混合液中溶解2h左右，用200nm滤膜进行过滤后取得滤液，利用匀胶2000r/min的转速下在Al2O3介质层和光栅间隙中旋涂上述滤液，得到约30nm厚的掺杂有荧光发光物质的发光层1；
d)采用步骤a)和步骤b)的方法，在发光层1上再制备一层金属Ag纳米层2和保护膜4；
e)将电子束曝光用PMMA抗蚀剂在匀胶机2000r/min的转速下旋涂1min左右，制备出PMMA抗蚀剂膜，并将样品转移到180℃的烘干台上烘干10min左右；
f)在电子束曝光工序前需要对曝光图形进行图形设计，根据曝光计量的不同设计进行分块处理，根据不同的结构宽度设计图形，生成GDS文件；
g)将曝光后的样品投入到MIBK:IPA(3:1)组成的显影液中显影1min左右，以除去被曝光的PMMA抗蚀剂实现PMMA的图案化；
h)利用去胶机和反应离子束刻蚀机将未被PMMA抗蚀剂遮挡的部分刻蚀掉，实现周期性三明治结构的图案化；
i)最后利用去胶液除去作为掩膜版的PMMA抗蚀剂，完成三明治结构光栅结构的制备过程。
实施例2
剥离法制备的稀土荧光增强天线
1)玻璃基底3的清洗：先后利用丙酮、异丙醇超声除去ITO导电玻璃表面的杂质，用去离子水清洗后吹干。
2)抗蚀剂的涂覆：将电子束曝光用PMMA抗蚀剂在匀胶机2000r/min的转速下在ITO导电玻璃表面旋涂1min左右，制备出PMMA抗蚀剂膜，并将样品转移到180℃的烘干台上烘干10min左右。
3)在电子束曝光工序前需要对曝光图形进行图形设计，根据曝光计量的不同设计进行分块处理，根据不同的结构宽度设计图形，生成GDS文件。
4)将曝光后的样品投入到MIBK:IPA(3:1)组成的显影液中显影1min左右，以除去被曝光的PMMA抗蚀剂实现PMMA的图案化。
5)制备带介质材料的周期性光栅：
a)在ITO导电玻璃表面涂覆一层10nm的Al2O3膜作为保护膜4；
b)金属Ag纳米层2的制备：考虑到金属膜的膜厚和质量保证，利用电子束镀膜机在保护膜4表面镀膜，先对真空腔初抽和精抽至2×10-5Pa以下真空度，然后利用较低的速率完成30nm左右Ag膜镀膜过程，完成金属Ag纳米层2的镀膜；
c)发光层1的制备；用烧结法制备Al2O3介质层；将一定量的普通PMMA颗粒溶解到氯仿中配制质量比为0.5％的混合溶液，并将制备好的无机稀土Eu发光量子点和有机稀土配合物Eu(HFA)3在混合液中溶解2h左右，用200nm滤膜进行过滤后取得滤液，利用匀胶2000r/min的转速下在Al2O3介质层和光栅间隙中旋涂上述滤液，得到约30nm厚的掺杂有荧光发光物质的发光层1；
d)采用步骤a)和步骤b)的方法，在发光层1上再制备一层金属Ag纳米层2和保护膜4。
6)利用剥离液溶解掉露出的PMMA抗蚀剂，使得其上方的部分失去依附而脱落，实现三明治光栅结构的制备。
如图4～图6所示，本发明能够充分利用金属介质磁性超材料结构的性能，并挖掘其潜能，在其内部形成强磁场效应，最终在可见光波段磁场最大增强效应达到80倍以上。本发明采用极其新颖的多层三明治光栅结构，通过将稀土发光量子点通过PMMA掺杂旋涂到三明治结构的中间隔层中，利用金属Ag光栅条在中间隔层产生的磁场放大作用，实现了对稀土量子点Eu的自发辐射远场放大作用，放大倍数最大可达80倍，和磁场增强效应相吻合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种稀土荧光增强天线，其特征在于：包括玻璃基底(3)，所述玻璃基底(3)上固定设置有多个带介质材料的周期性光栅，所述带介质材料的周期性光栅包括固定设置在中间层的发光层(1)，固定设置在发光层(1)顶部和底部的金属Ag纳米层(2)；所述发光层(1)为掺杂有稀土Eu发光量子点的介质膜。
2.根据权利要求1所述的一种稀土荧光增强天线，其特征在于：所述带介质材料的周期性光栅顶部和底部设置有保护膜(4)，所述保护膜(4)为Al2O3膜，厚度为10nm。
3.根据权利要求1所述的一种稀土荧光增强天线，其特征在于：所述金属Ag纳米层(2)的厚度为30nm。
4.根据权利要求1所述的一种稀土荧光增强天线，其特征在于：所述发光层(1)选用Al2O3作为介质材料，在其中掺杂有稀土Eu发光量子点，所述发光层(1)的厚度为30nm。
5.根据权利要求1所述的一种稀土荧光增强天线，其特征在于：所述发光层(1)中掺杂的稀土Eu发光量子点为无机稀土Eu发光量子点和/或有机稀土Eu发光量子点。
6.根据权利要求1所述的一种稀土荧光增强天线，其特征在于：所述带介质材料的周期性光栅的宽度为80nm。
7.根据权利要求1所述的一种稀土荧光增强天线，其特征在于：所述带介质材料的周期性光栅在TE模式的入射场的波矢k垂直于玻璃基底(3)入射，磁场方向平行于带介质材料的周期性光栅的宽度方向，电场沿着光栅的无限长方向时，光栅尺寸排列周期为240nm。
8.一种权利要求1～8所述的稀土荧光增强天线的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
a)玻璃基底(3)的清洗：
先后利用丙酮、异丙醇超声除去表面的杂质，而后用去离子水清洗后吹干；或者先后利用丙酮、异丙醇超声除去表面的杂质，后在1:1的浓硫酸和双氧水的混合溶液中浸泡，最后用去离子水清洗后吹干；
b)玻璃基底(3)的处理：用沟槽刻蚀的方式处理清洗后的玻璃基底(3)；
c)利用光刻蚀法或剥离法在玻璃基底(3)上制备带介质材料的周期性光栅，完成稀土荧光增强天线的制备。
9.根据权利要求9所述的一种稀土荧光增强天线的制备方法，其特征在于所述光刻蚀法包括以下步骤：
1)在玻璃基底(3)上涂覆一层Al2O3膜；
2)利用电子束镀膜机先对真空腔初抽和精抽至2×10-5Pa以下真空度，然后低速在Al2O3膜上完成30nm的金属Ag纳米层(2)镀膜；
3)用烧结法制备Al2O3介质层；
4)采用粉末烧结方式制备无机稀土Eu发光量子点，采用加热浓缩法合成有机稀土Eu发光量子点，将无机稀土Eu发光量子点和/或有机稀土Eu发光量子点掺杂到Al2O3介质层中，并将Al2O3介质层复合到步骤2)的金属Ag纳米层(2)上，完成发光层(1)的制备；
5)在发光层(1)上采用与步骤2)相同的方式完成金属Ag纳米层(2)镀膜；
6)在金属Ag纳米层(2)表面涂覆一层Al2O3膜；
7)将电子束曝光用PMMA抗蚀剂在匀胶机2000r/min的转速下旋涂1min，在最表层Al2O3膜上制备出PMMA抗蚀剂膜，并将样品烘干；
8)进行刻蚀图形设计，依据图形设计将样品投入显影液中显影，除去被曝光的PMMA抗蚀剂；
10)利用反应离子束刻蚀机将未被PMMA抗蚀剂遮挡的部分刻蚀掉；
11)最后利用去胶液除去PMMA抗蚀剂；
所述剥离法包括以下步骤：
1)将电子束曝光用PMMA抗蚀剂在匀胶机2000r/min的转速下旋涂在玻璃基底(3)上，制备出PMMA抗蚀剂膜，并将样品烘干；
2)进行图形设计，依据图形设计将样品投入显影液中显影，除去被曝光的PMMA抗蚀剂；
3)重复刻蚀法的步骤1)～步骤6)，在图形化的PMMA抗蚀剂膜制备带介质材料的周期性光栅；
4)利用剥离液溶解掉露出的PMMA抗蚀剂，使得溶解掉的PMMA抗蚀剂上方的带介质材料的周期性光栅失去依附而脱落。
10.根据权利要求10所述的一种稀土荧光增强天线的制备方法，其特征在于所述无机稀土Eu发光量子点的制备包括以下步骤：
1)将3ml的H2O，1g的Y(NO3)3·6H2O，0.06g的Eu(NO3)3·6H2O和0.41g的尿素混合在30ml的烧杯中，在室温下搅拌，使得物质充分溶解并混合均匀；
2)将溶液转移到烧结炉中，在N2气氛500℃下加热，直至反应炉中有棕色气体产生并逐渐消散；
3)将反应产物转移到适应烧杯中，继续在在N2气氛850℃下加热24h，最后进行研磨，得到纳米晶体结构的机稀土Eu发光量子点；
所述有机稀土Eu发光量子点的制备包括以下步骤：
1)称取0.7gEu(NO3)3·6H2O，加入到20ml乙醇中，搅拌使得Eu(NO3)3·6H2O完全溶解；
2)量取1ml的HFA，加入20ml乙醇，搅拌混合，使得HFA完全溶解；
3)将步骤1)和步骤2)的两种溶液充分混合，搅拌；
4)设置水浴锅的温度为50℃，将步骤3)所得混合溶液放入其中，加热浓缩直到乙醇溶液完全挥发；
5)用乙醇对最终产物进行洗涤，然后放入干燥箱内50℃下进行干燥处理，得到有机稀土Eu发光量子点。
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