CN114235037A - 高深宽比纳米间隙多物理场耦合探测平台及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种高深宽比纳米间隙多物理场耦合探测平台及其探测方法。本申请提出的高深宽比纳米间隙多物理场耦合探测平台包括第一导电件、第二导电件、以及微电极连线，其中，所述第一导电件和第二导电件之间具有深宽比介于1:1‑300:1，宽度为5‑100nm的纳米间隙，并且微电极连线分别连接所述第一导电件和所述第二导电件，用于向所述第一导电件和所述第二导电件之间的纳米间隙引入电信号。通过获得深宽比介于1:1‑300:1的纳米间隙和将多种物理信号引入所述纳米间隙中，高深宽比的纳米间隙大大提高了光的共振模式与电场有效范围，能够同时与光场、电场与磁场等多种物理场的至少两种发生相互作用。
Description
技术领域
本申请涉及微纳米加工与光电探测领域，具体地，本申请涉及一种高深宽比纳米间隙多物理场耦合探测平台及其探测方法。
背景技术
纳米间隙结构是由两种金属结构相互靠近到纳米量级形成的纳米级空间，其中金属结构的距离被称为纳米间隙的宽度，通常在亚-10nm的量级。由于小尺寸效应的存在，纳米间隙在光、电、磁、量子领域具有独特的应用价值，尤其是在实现纳米材料的物性检测中更是具有不可替代的作用。然而，目前的纳米间隙多通过平面加工工艺进行加工，具有较小的深宽比，而高深宽比纳米间隙则由于高度上的可控自由度而在光、电、磁探测等领域具有更高的应用价值。但是，受限于纳米间隙的加工方法，高深宽比纳米间隙的构型仍难以实现光、电、磁等多物理场的同时相互作用与探测。
基于此，本领域亟需一种新构型的高深宽比的纳米间隙探测平台。
发明内容
为了解决上述技术问题，提出了本申请，以有助于高效率、多功能多物理场探测器件的实现以及光电器件的实现。
一方面，本申请的一个实施例提供了一种高深宽比纳米间隙多物理场耦合探测平台，包括：第一导电件、第二导电件、以及微电极连线，其中，所述第一导电件和第二导电件之间具有深宽比介于1:1-300:1，宽度为5-100nm的纳米间隙，并且所述微电极连线分别连接所述第一导电件和所述第二导电件，用于向所述第一导电件和所述第二导电件之间的纳米间隙引入电信号。
另一方面，本申请的一个实施例提供了一种高深宽比纳米间隙多物理场耦合探测平台探测方法，包括：将待测物质施加到第一导电件和第二导电件之间的纳米间隙中，其中所述纳米间隙的深宽比介于1:1-300:1；将所述纳米间隙置于电场、光场和磁场中的至少两者中，对所述纳米间隙中的待测物质进行多物理场信号探测。
在本发明中，通过获得深宽比介于1:1-300:1的纳米间隙和将多种物理信号引入所述纳米间隙中，一方面高深宽比的纳米间隙大大提高了光的共振模式与电场有效范围。另一方面，通过引入光、电和磁等中至少两种信号，使纳米间隙中的待测物质产生光、电和磁等中至少两种响应，实现了多物理场的耦合探测。
附图说明
通过结合附图对本申请实施例进行更详细的描述，本申请的上述以及其他目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本申请实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请实施例一起用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。
图1示出根据本发明一个实施例的一种高深宽比纳米间隙多物理场耦合探测平台的电子扫描显微镜(SEM)图。
图2示出根据本发明一个实施例的一种高深宽比纳米间隙多物理场耦合探测平台的探测方法流程图。
具体实施方式
下面，将参考附图详细地描述根据本申请的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是本申请的全部实施例，应理解，本申请不受这里描述的示例实施例的限制。
申请概述
纳米间隙由于其小尺寸效应，在光学、电子学以及量子力学领域都具有非常广阔的应用前景。然而由于构型设计困难，使得纳米间隙只能对单一的物理场产生显著的响应，难以实现多物理场的同时引入、耦合与探测；目前的纳米间隙构型在光场的共振模式与电场的有效范围方面也难以进一步提高。另外，由于目前纳米间隙的加工方法加工的纳米间隙一般不具有高的深宽比，限制了纳米间隙调控能力、效率与维度的提高。因而目前的纳米间隙构型，在多物理场耦合探测中难以起到有效的作用。因此需要提出一种新的纳米间隙构型并实现其可靠加工，以解决上述问题。
通过本发明的高深宽比纳米间隙多物理场耦合探测平台及其探测方法，不仅能够获得深宽比介于1:1-300:1的纳米间隙，还能够将多种物理信号同时引入所述纳米间隙中。
本发明基于电子束光刻与电化学沉积，提出了一种高深宽比纳米间隙多物理场耦合探测平台，所述纳米间隙具有介于1:1-300:1的深宽比，并能够在所述纳米间隙中同时实现光场、电场与磁场的相互作用。
示例性结构
本申请提供一种高深宽比纳米间隙多物理场耦合探测平台，包括第一导电件、第二导电件以及微电极连线，其中所述第一导电件和所述第二导电件之间具有深宽比介于1:1-300:1的纳米间隙，所述微电极连线分别连接所述第一导电件和所述第二导电件，用于向所述第一导电件和所述第二导电件之间的纳米间隙引入电信号。
在本发明中，所述第一导电件和第二导电件可以通过光刻以及电化学沉积技术加工，并能够同时与多种物理场发生相互作用，实现其耦合；所述微电极连线可以通过对准套刻以及金属刻蚀过程加工，连接在所述纳米间隙两侧，用于向所述纳米间隙中引入电信号。在这里，所述纳米间隙可以通过所述微电极连线引入任意的直流或交流电信号，而通过光照可以实现纳米间隙中光电信号的耦合，介于1:1-300:1的高深宽比纳米间隙的空间构型有助于产生丰富的多物理场耦合模式。
下面结合图1，对根据本发明一个实施例的高深宽比纳米间隙多物理场耦合探测平台进行详细说明。
如图1所示，根据本发明一个实施例的高深宽比纳米间隙多物理场耦合探测平台100包括微电极10、第一导电件40和第二导电件50，微电极10由微电极连线20、电极片30构成。该探测平台可以进行阵列化的加工，其中图1的上图中示出的SEM图便包含6组高深宽比纳米间隙。
微电极10用基于诸如金等导电材料的图形，可通过电子束光刻和离子束刻蚀方法进行加工。具体地，微电极10是在导电材料的基础上，通过电子束光刻实现基于光刻胶的微电极连线轮廓，然后利用离子束刻蚀去除相应位置的导电材料，最后去除光刻胶得到的。微电极10也并不限于金材料，而可以是任意具有良好导电性的材料。微电极10通过微电极连线20连接电极片30构成，电极片30可以是方形的，也可以是其他能够与外部的宏观电路进行连接的图形。电信号可以从外部的宏观电路经由电极片30通过微电极连线20预先施加在第一导电件40和第二导电件50，通过第一导电件40和第二导电件50在第一导电件40和第二导电件50之间的纳米间隙60中引入电场。
微电极连线20可以通过电极片30与外部源表相连，引入外部源表可以提供的任意电信号，例如直流电信号、交流电信号、射频电信号等。
如图1下图所示，纳米间隙60是由第一导电件40构成的金纳米墙和第二导电件50构成的金纳米墙相互靠近形成的。获得纳米间隙60的加工步骤为：通过电子束光刻实现基于光刻胶的纳米孔图案，进一步利用电化学沉积方法填充纳米孔，去除光刻胶后得到纳米间隙60。纳米间隙60的宽度为5-100nm，优选10nm或50nm；深宽比介于1：1-300:1，优选为50:1、100：1或200:1。
纳米间隙60不仅可以引入电场，还可以通过外部光源的光照或将测试平台置于磁场中引入光信号或者磁信号，使纳米间隙60产生纳米空间内的光电、光磁、电磁或光电磁响应。
在某些实施例中，形成纳米间隙60的第一导电件40和第二导电件50的材料并不限定为金材料，可以是任意能够利用电化学沉积技术进行加工的功能材料。
在某些实施例中，微电极10的加工方法并不限于电子束光刻方法，而可以是任意满足电极加工精度的加工方法，例如紫外光刻、聚焦离子束刻蚀以及激光直写等。
在某些实施例中，高深宽比纳米间隙可以不通过纳米墙靠近而形成，也可以是纳米级的方柱、圆柱以及其他的任意图形。
在某些实施例中，第一导电件和第二导电件的高度可以通过电化学沉积时间进行调控，其调控范围在1：1至300：1之间。
在根据本发明的高深宽比纳米间隙多物理场耦合探测平台中，与传统的纳米间隙相比，该纳米间隙具有可达数百的高深宽比，其高度调控能力增加了结构的高度可控性，能够产生更丰富的光响应模式；纳米间隙结构具有高的深宽比，因而具有更小的空间占用率；而其外部连接的微电极能够为纳米间隙引入任意的电信号，有助于实现纳米间隙中多物理场的耦合与相互作用。
另外，与传统的光学探测平台相比，该平台的纳米间隙具有局域光场强于可控维度高的特点；与传统的电学探测平台相比，纳米间隙的纳米级宽度带来了相同电压下更强的电场，降低了能耗。
示例性方法
图2是本申请一示例性实施例提供的高深宽比纳米间隙多物理场耦合探测方法的流程示意图。
如图2所示，根据本申请一个实施例的高深宽比纳米间隙多物理场耦合探测平台的探测方法包括，但不限于下述顺序：
将待测物质施加到第一导电件和第二导电件之间的纳米间隙中，其中所述纳米间隙的深宽比介于1:1-300:1；
通过微电极连线向所述第一导电件和第二导电件两侧施加电信号，并在所述纳米间隙中形成电场，对所述纳米间隙中的待测物质进行电学探测，并获取电信号，进一步分析待测物质的电学响应。在一些实施例中，微电极连线连接到外部电路中，并利用外部电路中的源表读取输出电信号；
将所述纳米间隙放置在光场中，利用光谱仪等设备读取纳米间隙调制后的光信号，进一步分析待测物质的光响应特性；和
同时向纳米间隙中引入光信号与电信号，纳米间隙中发生现光、电场的相互耦合，进一步分析待测物质的光电响应特性。
在某些实施例中，还可以将所述纳米间隙放置在磁场中，对所述纳米间隙中的待测物质进行磁场信号探测。
在某些实施例中，还可以将所述纳米间隙放置在电场和磁场、光场和磁场、甚至电场、光场和磁场中，对纳米间隙中的待测物质进行多物理场耦合探测。
在这里，所述待测物质可以是生物大分子材料、量子点材料以及二维材料等具有纳米尺度特征尺寸的材料。
在这里，所述电信号可以是直流信号、交流信号以及射频信号等；所述光信号可以是具有连续波长的可见光、红外光以及微波等，也可以是单一波长的激光等。
在这里，所述的外部电路可以是源表等宏观器件，也可以是已集成的微型电子学器件。
在某些实施例中，读取的信号并非与输入信号相同，而可以是以光信号输入，读取纳米间隙的电信号，或者以电信号输入，读取纳米间隙的光信号。
在某些实施例中，所引入与读取的信号并非限定为光信号、电信号，而且可以是磁信号、量子信号等。
在根据本发明的高深宽比纳米间隙多物理场耦合探测平台探测方法中，可以实现多种物理场的引入、耦合与探测，因而实现更多的物理场耦合响应。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。
本申请中涉及的器件、结构、方法、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
还需要指出的是，在本申请的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。
提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。
Claims (10)
1.一种高深宽比纳米间隙多物理场耦合探测平台，包括：第一导电件、第二导电件以及微电极连线，
其中，所述第一导电件和所述第二导电件之间具有深宽比介于1:1-300:1，宽度为5-100nm的纳米间隙，以及
所述微电极连线分别连接所述第一导电件和所述第二导电件，用于向所述第一导电件和所述第二导电件之间的纳米间隙引入电信号。
2.根据权利要求1所述的高深宽比纳米间隙多物理场耦合探测平台，其特征在于，
所述第一导电件和所述第二导电件是通过电子束光刻实现基于光刻胶的纳米孔图案，然后利用电化学沉积方法填充纳米孔，最后去除光刻胶得到的。
3.根据权利要求2所述的高深宽比纳米间隙多物理场耦合探测平台，其特征在于，
所述第一导电件和所述第二导电件的高度通过调控所述电化学沉积方法的沉积时间来进行调整。
4.根据权利要求1所述的高深宽比纳米间隙多物理场耦合探测平台，其特征在于，
所述高深宽比纳米间隙的宽度为10nm或50nm，深宽比为50:1、100：1或200:1。
5.根据权利要求1所述的高深宽比纳米间隙多物理场耦合探测平台，其特征在于，
所述微电极连线是在导电材料的基础上，通过电子束光刻实现基于光刻胶的微电极连线轮廓，然后利用离子束刻蚀去除相应位置的导电材料，最后去除光刻胶得到的。
6.根据权利要求1所述的高深宽比纳米间隙多物理场耦合探测平台，其特征在于，
所述微电极连线与外部源表相连接以引入所述外部源表提供的电信号。
7.一种高深宽比纳米间隙多物理场耦合探测平台探测方法，包括：
将待测物质施加到第一导电件和第二导电件之间的纳米间隙中，其中所述纳米间隙的深宽比介于1:1-300:1；
将所述纳米间隙置于电场、光场和磁场中的至少两者中，对所述纳米间隙中的待测物质进行多物理场信号探测。
8.根据权利要求7所述的高深宽比纳米间隙多物理场耦合探测平台探测方法，其特征在于，
将所述纳米间隙至于电场、光场和磁场中的至少两者中，对所述纳米间隙中的待测物质进行多物理场信号探测，包括：
通过微电极连线向所述第一导电件和所述第二导电件两侧施加电信号，在所述纳米间隙中形成电场，对所述纳米间隙中的待测物质进行电学探测；
通过将所述纳米间隙置于光场和/或磁场中，发生多物理场响应，对所述纳米间隙中的待测物质进行多种物理场信号探测。
9.根据权利要求7所述的高深宽比纳米间隙多物理场耦合探测平台探测方法，其特征在于，
将所述纳米间隙置于电场、光场和磁场中的至少两者中，对所述纳米间隙中的待测物质进行多物理场信号探测，包括：
通过微电极连线向所述第一导电件和所述第二导电件两侧施加电信号，在所述纳米间隙中形成电场，对所述纳米间隙中的待测物质进行电学探测；
通过将所述纳米间隙置于光场和/或磁场中，对所述纳米间隙中的待测物质进行光学或磁学探测；以及
通过将所述纳米间隙同时置于电场、光场和磁场中的至少两者中，发生多物理场响应，对所述纳米间隙中的待测物质进行多种物理场信号探测。
10.根据权利要求7所述的高深宽比纳米间隙多物理场耦合探测平台探测方法，其特征在于，
所述纳米间隙的深宽比可以通过电化学沉积的沉积时间进行调控。
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| CN (1) | CN114235037A (zh) |
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- 2021-12-06 CN CN202111475636.8A patent/CN114235037A/zh active Pending
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