TWI638991B

TWI638991B - 錐形光學針

Info

Publication number: TWI638991B
Application number: TW105142127A
Authority: TW
Inventors: 江叡涵; 朱仁佑; 嚴大任
Original assignee: 財團法人工業技術研究院; 國立清華大學
Priority date: 2016-08-24
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2018-10-21
Also published as: ES2836268T3; TW201807401A

Abstract

一種錐形光學針，包括一錐形透光針及一表面電漿子波傳遞層。錐形透光針具有一第一尖端、一底部及一連接第一尖端與底部的彎曲表面。表面電漿子波傳遞層配置於彎曲表面上且覆蓋第一尖端，其中表面電漿子波傳遞層具有彎曲狹縫結構。彎曲狹縫結構包括多個從第一尖端往底部的邊緣排列且位於第一尖端與底部的邊緣之間的彎曲部分，且這些彎曲部分的延伸方向不同於從第一尖端往底部的邊緣的方向。

Description

錐形光學針

本發明是有關於一種光學結構，且特別是有關於一種錐形光學針。

隨著科技的發展，材料與元件的尺寸已縮小達到了奈米尺寸，因此把人們帶入了新的奈米科技世代。在眾多的奈米科技技術發展中，奈米顯微術以及操控術一直受到廣泛的重視，其技術可以材料的特性進而掌控原子、分子，或分子的排列結構，並進一步創造出應用於人類生活中的新技術，如光學微影技術、奈米材料感測技術、微量藥物檢測、DNA檢測等。然而，在光學技術開發中，由於光學透鏡受限於阿貝繞射極限(Abbe’s diffraction limit)，使得光源尺寸僅能為約數百奈米以上，大大限制了光學技術的發展。另一方面，在光學檢測技術中，由於光源與奈米物質的尺寸差距太大，使得光與物質之間的交互作用力效率低，因而造成光學檢測的感測度不足，如微弱的拉曼訊號。因此，在奈米科技技術的進展之下，研發出穩定的奈米光源為目前熱門的研究趨勢之一。

在目前的奈米科技技術發展中，表面電漿子(Surface Plasmon)的研究占有重要的地位。表面電漿子是一種存在於金屬與介電質介面之間的集體電子氣體共振波，此種共振波經由特殊的結構設計可產生電磁場奈米聚焦效應，以形成奈米光源，這種奈米光源具有奈米尺寸，可與同為奈米尺寸的物質產生高效率的交互作用力，進而提高光學檢驗的感測度與靈敏度達到單一分子等級。在生活層面中，奈米光源技術可應用於檢測環境及食物中的污染物如塑化劑、環境荷爾蒙、磷酸鹽…等，或著可應用於生醫領域檢測如非染料型的生物標定、抗原檢測、DNA合成、藥物或生物體篩檢及組織檢測等。此外，在顯微鏡領域中，奈米光源技術可結合針尖增強拉曼光譜法(TERS, Tip Enhanced Raman Spectroscopy)並應用於原子力顯微鏡(AFM, Atomic Force Microscope)中，使得這種儀器同時具備表面增強拉曼散射(SERS, Surface-Enhanced Raman Spectroscopy)的靈敏度與原子力顯微鏡所提供的超高光譜解析度。

在目前的奈米光源結構發展中，在探針的針狀結構前端開口100 nm，使得在開口近場處產生奈米尺度光源，然而此種結構的奈米尺度光源其強度會受限於貝特定律(Bethe’s theory)，使得奈米光源的光通量僅有10^-5 至10^-7 的光轉換效率而降低訊雜比。為了保持足夠的訊雜比例而縮短量測時間或曝光微影的時間，此種結構的孔徑實際大小約為50至100 nm，這將導致光學解析度僅能在50至100 nm且空間解析度大於100 nm。

本發明提供一種錐形光學針，可藉由激發光源而在其尖端處產生奈米光源，以提高解析度及發光增益，或由尖端處接收光訊號，以提高量測解析度。

本發明的一實施例提出一種錐形光學針，包括一錐形透光針及一表面電漿子波傳遞層。錐形透光針具有一第一尖端、一底部及一連接第一尖端與底部的彎曲表面。表面電漿子波傳遞層配置於彎曲表面上且覆蓋第一尖端，其中表面電漿子波傳遞層具有彎曲狹縫結構。彎曲狹縫結構包括多個從第一尖端往底部的邊緣排列且位於第一尖端與底部的邊緣之間的彎曲部分，且這些彎曲部分的延伸方向不同於從第一尖端往底部的邊緣的方向。

在本發明的實施例的錐形光學針中，表面電漿子波傳遞層具有彎曲狹縫結構，以在表面電漿子波傳遞層上誘發出表面電漿子波。如此一來，本發明的實施例的錐形光學針可使表面電漿子波傳遞至錐形光學針的尖端，且在此尖端處形成奈米聚焦效應以產生出高效率奈米尺寸光源，可以提高解析度及發光增益。或者，本發明的實施例的錐形光學針可以從錐形光學針的尖端接收光訊號，以提高量測解析度。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1為本發明的一實施例的錐形光學針的側視圖。圖2為圖1的錐形光學針的剖面圖。請參考圖1至圖2，在本發明的一實施例中，錐形光學針50包括一錐形透光針100及一表面電漿子波傳遞層200。錐形透光針100具有一第一尖端T1、一底部120及一連接第一尖端T1與底部120的彎曲表面S1。具體而言，本實施例的錐形透光針100是一個圓對稱錐形結構，而彎曲表面S1實際上即為錐形透光針100中的錐形表面，此錐形表面可以是類拋物線曲面、圓錐曲面，或是其他圓對稱錐形曲面，本實施例以彎曲表面S1為類拋物線曲面為例，如圖1所示，但本發明不限於此。

圖3A為圖1的錐形光學針的俯視圖。圖3B與圖3C為另一實施例的錐形光學針的俯視圖。圖4為具有圖1的錐形光學針的光源裝置的示意圖。請同時參考圖2至圖4，在本實施例中，光源裝置75包括錐形光學針50以及一用以發出激發光束LB1至錐形光學針50的激發光源300，其中表面電漿子波傳遞層200配置於彎曲表面S1上，具體而言，表面電漿子波傳遞層200覆蓋錐形透光針100的第一尖端T1與彎曲表面S1。表面電漿子波傳遞層200具有彎曲狹縫結構210，具體而言，這裡所陳述的彎曲狹縫結構210實際上即為缺口，如圖2所示。因此在內部的錐形透光針100可藉由缺口同時接觸表面電漿子波傳遞層200與空氣，當一激發光源300提供從底部120入射錐形透光針100的徑向偏振光時，便會在彎曲狹縫結構210處誘發出表面電漿子波，並使表面電漿子波在電漿子波傳遞層200之背對錐形透光針100的外表面S2上傳遞。在本實施例中，錐形透光針100的材料包括二氧化矽，例如是主要成分為二氧化矽的玻璃，而表面電漿子波傳遞層200的材質可為金屬，例如是金、銀、鋁等，這可用於激發光束LB1是可見光光束的時候，這是因為二氧化矽對可見光而言為透光材質。在其他的實施例中，錐形透光針100的材料包括矽，例如其主要成分為矽，而表面電漿子波傳遞層200可為半導體材料所構成，例如是碳化矽，這可用於激發光束LB1是紅外光光束的時候，這是因為矽對紅外光而言為透光材質，但本發明不限於此。

此外，在本實施例中，表面電漿子波傳遞層200的厚度大於激發光束LB1可穿透表面電漿子波傳遞層200的穿透深度D，此穿透深度D符合，其中為激發光束LB1的波長，為表面電漿子波傳遞層200的折射係數的虛部。而彎曲狹縫結構210的狹縫寬度B符合，換句話說，彎曲狹縫結構210的狹縫寬度B小於激發光束LB1的半波長，可降低狹縫的透光度以減少雜訊，但本發明不限於此。

另一方面，彎曲狹縫結構210包括多個從第一尖端T1往底部120的邊緣R排列且位於第一尖端T1與底部的邊緣R之間的彎曲部分P，且這些彎曲部分P的延伸方向不同於從第一尖端T1往底部120的邊緣R的方向。具體而言，彎曲狹縫結構210是一個圓對稱的且延伸成一個圓的圓環狀狹縫，如圖3A所繪示。然而，在其他實施例中，若以俯視角度來看，彎曲狹縫結構210可以是一個連續的螺旋狀狹縫(如圖3C所繪示)，也可以是由多個不同半徑大小的C形環狀狹縫(如圖3B所繪示)，並且以第一尖端T1為其共同圓心所構成。本實施例以環狀狹縫為例，如圖3A所示，但本發明不限於此。除此之外，在其他實施例中，彎曲狹縫結構210在一平行於底部120的參考平面E上的正投影的中心處與第一尖端T1在參考平面E上的正投影距離不超過用以驅動錐形光學針50的激發光束LB1的波長的十分之一。舉例而言，以環形結構為例，則此環形結構的圓心處在參考平面E上的正投影與第一尖端T1在參考平面E上的正投影的距離可在激發光束LB1波長的十分之一之內，但本發明不限於此。

另一方面，在表面電漿子波傳遞層200之背對第一尖端T1的一端為一第二尖端T2，且在這些從錐形透光針100的第一尖端T1往底部120的邊緣R排列的彎曲部分P中，離第二尖端T2最近的彎曲部分P與第二尖端T2的距離及各相鄰的彎曲部分P之間的距離皆不相同。簡而言之，從第一尖端T1排列至底部120邊緣R的每相鄰的彎曲部分P的距離為特定距離，且彼此之間的距離皆不相同，以產生出表面電漿子共振。也就是說，這些彎曲部分P位於使表面電漿子波傳遞層200之外表面S2處發生表面電漿子共振的位置。詳細而言，這些彎曲部分P的實際位置是經由二維模擬程式依據彎曲狹縫結構210的外表面S2的外觀，由中心處向外所一一決定出，接著在透過三維模擬程式，以模擬出在第二尖端T2處所產生最佳化的電磁場強度。舉例而言，第二尖端T2至最靠近第二尖端T2的彎曲部分P的距離L1為10倍的表面電漿子波半波長，最靠近第二尖端T2的彎曲部分P至第二靠近第二尖端T2的彎曲部分P的距離L2為6倍的表面電漿子波半波長，第二靠近第二尖端T2的彎曲部分P至第三靠近第二尖端T2的彎曲部分P的距離L3為3倍的表面電漿子波半波長，第三靠近第二尖端T2的彎曲部分P至第四靠近第二尖端T2的彎曲部分P的距離L4為4倍的表面電漿子波半波長，第四靠近第二尖端T2的彎曲部分P至第五靠近第二尖端T2的彎曲部分P的距離L5為1倍的表面電漿子波半波長，第五靠近第二尖端T2的彎曲部分P至第六靠近第二尖端T2的彎曲部分P的距離L6為2倍的表面電漿子波半波長，如圖2所繪示(僅繪示出L1及L2為代表)。換句話說，離第二尖端T2最近的彎曲部分P與第二尖端T2的距離及各相鄰的彎曲部分P之間的距離可以為所激發出的表面電漿子波半波長的正整數倍。另一方面，彎曲狹縫結構210中這些從第二尖端T2往底部120的邊緣R排列的彎曲部分P至第二尖端T2的距離L符合，且，其中為表面電漿子波的波向量常數，與分別為的實部與虛部，為激發光源頻率，為光速，為該表面電漿子波傳遞層的介電系數，為該錐形透光針100的介電系數的實部。透過模擬程式優化的彎曲狹縫結構210及其中彎曲部分P的位置設置，可大幅增加錐形光學針50的聚焦效應，並且其電場增益強度遠高於目前一般主流的光學探針。

圖5A與圖5B分別為徑向的線偏振光與線偏振光的橫截面示意圖。請參考圖4至圖5B，本發明的錐形光學針50用以被一激發光束LB1所驅動，其中激發光束LB1可以是徑向線偏振光(如圖5A所示)，其由底部120處朝第一尖端T1處且垂直於參考平面E的方向射入以驅動錐形光學針50。徑向線偏振光在環繞光束的中心軸的各部分的偏振方向K1是在與中心軸垂直的徑向上，如圖5A所繪示。在其他實施例中，激發光束LB1也可以是線偏振光(如圖5B所示)，其由底部120處朝第一尖端T1處且與參考平面E具有夾角的方向射入以驅動錐形光學針50，換句話說，為線偏振光的激發光束LB1的入射方向與第一尖端T1至底部120中心處的方向彼此不平行，但本發明不限於此。線偏振光的偏振方向K2垂直於光束的中心軸，但整個光束的偏振方向K2是朝向同一方向。當錐形光學針50被激發光束LB1驅動時，彎曲狹縫結構210會在表面電漿子波傳遞層200上誘發出表面電漿子波，且在第二尖端T2處聚焦為奈米尺寸光源LB2。詳細而言，當激發光束LB1入射至錐形透光針100時，便會在彎曲狹縫結構210處誘發出表面電漿子波，並使表面電漿子波在電漿子波傳遞層200的外表面S2上傳遞以形成表面電漿子共振。最後，表面電漿子波在第二尖端T2處聚焦成奈米尺寸光源LB2。

圖6A至圖6C為本發明一實施例的錐形光學針的製作流程圖。請參考圖6A至圖6C，依照本發明的錐形光學針50的製作步驟中，首先，準備一個連接基板的錐形透光針100，其錐形透光針100可以是由二氧化矽以非等向性蝕刻製程製作而成，具有第一尖端T1及底部120，如圖6A所示。接著，在錐形透光針100由底部120朝向第一尖端T1的方向上，以及由第一尖端T1朝向底部120的方向上分別以濺鍍的方式鍍上反射層220及表面電漿子波傳遞層200(如圖6B所繪示出的濺鍍方向A)。在本實施例中，鍍上的反射層220及表面電漿子波傳遞層200的材質為金屬，例如是金，如圖6B所示，但本發明不限於此。接著，利用聚焦離子束將位在底部120處的基板挖空，以使讓激發光源通過，在其他的實施例中，位在底部120處的基板亦可不挖空以使得錐形光學針50可做為探針使用，其中反射層220可做為一反射面用以反射例如是原子力顯微鏡中的雷射光束。另一方面，根據事先利用二維模擬程式依據錐形透光針100的彎曲表面S1的外觀所決定出的彎曲狹縫結構210位置資料，利用聚焦離子束將彎曲表面S1上挖出並形成彎曲狹縫結構210，以完成本發明的錐形光學針50，如圖6C所示。

圖7為本發明一實施例的錐形光學針的環狀結構數與光強度增益比的變化折線圖。圖8為圖4的光源裝置的奈米光源光強度增益與距尖端處距離的變化曲線圖。請參考圖3A、圖7及圖8，如先前段落所陳述，本發明的錐形光學針50中的彎曲狹縫結構210，其實際位置由二維模擬程式採用徑向線偏振光並根據電漿子波共振條件所決定。圖7中的曲線410表示了彎曲狹縫結構210中環狀結構數所對應的光強度增益對於激發光束LB1的強度增益的比值(Enhancement Factor)，其中E_tip 是指位於第二尖端T2的電場，而E_illumination 是指激發光束LB1的電場，如圖7中左側刻度所繪示，光強度增益比會隨著環狀結構數而增加，並且在環狀結構數越大時增加較為和緩。舉例而言，當環狀結構數為1時，其光強度增益比可達到近30，當環狀結構數為2時，其光強度增益比可達到近50，因此增加環狀數可增加整體光強度增益。如圖7中曲線410。另一方面，圖7中的曲線420表示了彎曲狹縫結構210中有N個環狀結構時對於有N-1環狀結構時的光強度增益的效率（其中E_FN 代表有N個環狀結構時的E_F 值（即光強度增益比）），其增益效率隨環狀結構數的增加逐漸減緩，如圖7中右側刻度所繪示。舉例而言，環狀結構數為1與環狀結構數為0的光強度增益效率可達到約13，而環狀結構數為2與環狀結構數為1的光強度增益效率可達到約2。因此由圖7的結果可知，七環狀結構的錐形光學針50的增益效果與六環狀結構的錐形光學針50的增益效果差異不大，因此本發明的優化六環狀結構的錐形光學針50已可達到光場強度增益最佳化。值得一提的是，一般孔隙式探針其電場增益約為100倍，而依據本發明所製作的錐形光學針50其光強度增益可達約4000倍(如圖8所繪示)，增益效果是一般孔隙式探針的40倍，在第二尖端T2處，其電場增益甚至可達約7000倍。另一方面，在第二尖端T2所激發出的奈米尺寸光源LB2，根據光強度增益與距第二尖端T2的距離的關係可知其半高寬W約為7.8奈米，再加上本案所使用的探針為無孔隙式探針，因此可縮小針尖半徑，提升空間解析度。換句話說，此奈米尺寸光源LB2的尺寸大小即可視為7.8奈米，且本發明的錐形光學針50的光學解析度可達小於10奈米的尺寸。

依據本發明的錐形光學針50，在製程上可進一步結合微機電系統技術(MEMS, Microelectromechanical Systems)，較以往光學探針的穩定性高，因此在商業中的應用性更高。本發明的錐形光學針50亦可應用在材料檢測領域上當作探針(probe)使用，例如是應用於近場掃描式光學顯微鏡(NSOM)、針尖增益雷曼光譜(TERS)或是發光二極體(LED)元件上做為光耦合結構使用。也就是說，本發明的實施例的錐形光學針50亦可由第二尖端T2接收外界的光訊號，以提高量測解析度。

綜上所述，在本發明的實施例錐形光學針中，表面電漿子波傳遞層具有彎曲狹縫結構，以在表面電漿子波傳遞層上誘發出表面電漿子波。如此一來，本發明的實施例的錐形光學針可使表面電漿子波傳遞至錐形光學針的尖端，且在此尖端處形成奈米聚焦效應以產生出高效率奈米尺寸光源，可以提高解析度及發光增益。或者，本發明的實施例的錐形光學針可以從錐形光學針的尖端接收光訊號，以提高量測解析度。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

50、50a、50b、50c‧‧‧錐形光學針

75‧‧‧光源裝置

100‧‧‧錐形透光針

120‧‧‧底部

200‧‧‧表面電漿子波傳遞層

210‧‧‧彎曲狹縫結構

220‧‧‧反射層

300‧‧‧激發光源

410、420‧‧‧曲線

A‧‧‧濺鍍方向

E‧‧‧參考平面

L1、L2‧‧‧距離

LB1‧‧‧激發光束

LB2‧‧‧奈米尺寸光源

K1、K2‧‧‧偏振方向

P‧‧‧彎曲部分

R‧‧‧邊緣

S1‧‧‧彎曲表面

S2‧‧‧外表面

T1‧‧‧第一尖端

T2‧‧‧第二尖端

W‧‧‧半高寬

圖1為本發明的一實施例的錐形光學針的側視圖。圖2為圖1的錐形光學針的剖面圖。圖3A為圖1的錐形光學針的俯視圖。圖3B與圖3C為另一實施例的錐形光學針的俯視圖。圖4為具有圖1的錐形光學針的光源裝置的示意圖。圖5A與圖5B分別為徑向的線偏振光與線偏振光的橫截面示意圖。圖6A至圖6C為本發明一實施例的錐形光學針的製作流程圖。圖7為本發明一實施例的錐形光學針的環狀結構數與光強度增益比的變化折線圖。圖8為圖4的光源裝置的奈米光源光強度增益與距尖端處距離的變化曲線圖。

Claims

一種錐形光學針，包括：一錐形透光針，具有一第一尖端、一底部及一連接該第一尖端與該底部的彎曲表面；以及一表面電漿子波傳遞層，配置於該彎曲表面上且覆蓋該第一尖端，其中該表面電漿子波傳遞層具有彎曲狹縫結構，該彎曲狹縫結構包括多個從該第一尖端往該底部的邊緣排列且位於該第一尖端與該底部的邊緣之間的彎曲部分，且該些彎曲部分的延伸方向不同於從該第一尖端往該底部的邊緣的方向，其中該表面電漿子波傳遞層之背對該第一尖端的一端為一第二尖端，該些彎曲部分中離該第二尖端最近的彎曲部分與該第二尖端於該彎曲表面上的距離及該些相鄰的彎曲部分之間於該彎曲表面上的距離皆不相同。
如申請專利範圍第1項所述的錐形光學針，其中該錐形光學針被一激發光源驅動，此時該彎曲狹縫結構處會誘發出表面電漿子波，該些彎曲部分位於使該表面電漿子波傳遞層之背對該錐形透光針的表面處發生表面電漿子共振的位置，且該表面電漿子波傳遞層之背對該第一尖端的一端處聚焦為奈米尺寸光源。
如申請專利範圍第2項所述的錐形光學針，其中該激發光源提供徑向線偏振光以驅動該錐形光學針。
如申請專利範圍第2項所述的錐形光學針，其中該激發光源提供一線偏振光至該錐形光學針，以驅動該錐形光學針，且該線偏振光的入射方向與該第一尖端至該底部中心處的方向彼此不平行。
如申請專利範圍第1項所述的錐形光學針，其中該錐形透光針為圓對稱錐形結構。
如申請專利範圍第5項所述的錐形光學針，其中該彎曲表面為類拋物曲面。
如申請專利範圍第1項所述的錐形光學針，其中該錐形透光針的材料包括二氧化矽。
如申請專利範圍第7項所述的錐形光學針，其中該表面電漿子波傳遞層的材質為金屬。
如申請專利範圍第1項所述的錐形光學針，其中該錐形透光針的材料包括矽。
如申請專利範圍第9項所述的錐形光學針，其中該表面電漿子波傳遞層為半導體材料。
如申請專利範圍第1項所述的錐形光學針，其中該錐形光學針被一激發光源驅動，該彎曲狹縫結構中該些從該第二尖端往該底部的邊緣排列的彎曲部分至該第二尖端於該彎曲表面上的距離L符合0<L，且，其中k _sp為表面電漿子波的波向量常數，與分別為k _sp的實部與虛部，ω為該激發光源頻率，c為光速，ε₁為該表面電漿子波傳遞層的介電系數，ε₂為該錐形透光針的介電系數的實部。
如申請專利範圍第1項所述的錐形光學針，其中該彎曲狹縫結構在一平行於該底部的參考平面上的正投影的中心與該第一尖端在該參考平面上的正投影距離不超過用以驅動該錐形光學針的激發光源波長的十分之一。