CN111505342B - 一种锥形光纤结合纳米线的等离激元探针及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锥形光纤结合纳米线的等离激元探针及其工作方法，该探针包括锥形探针纤芯、金属薄膜覆盖层、环形狭缝等离激元增强结构和纳米线，金属薄膜覆盖层均匀分布在锥形探针纤芯的外表面，环形狭缝等离激元增强结构刻蚀在金属薄膜覆盖层上，纳米线生长或组装在金属薄膜覆盖层针尖位置。本发明利用等离激元增强结构，能够在针尖实现更大局域场增强，具有更高的分辨率和信号探测灵敏度，同时结合大长径比纳米线结构，能够实现表面和高深宽比复杂三维结构形貌和光学信息测量。在纳米极限加工、光谱分析和超分辨成像等领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于纳米极限加工、光谱分析和超分辨成像等领域，特别涉及一种锥形光纤结合纳米线的等离激元探针及其工作方法。
背景技术
扫描近场光学显微镜可以实现光学成像和化学成份检定，并且能够突破光学衍射极限，实现纳米级分辨力加工和测量，被广泛应用于近场拉曼检测、近场超分辨成像和近场光学加工等领域。扫描近场光学显微镜的分辨率取决于近场探针技术，最常用的为孔径式探针和无孔式探针。孔径式探针较小的锥角和孔径尺寸导致其通光率较小，检测信号较弱，分辨能力受到限制，一般为50nm–100nm。无孔式探针分辨能力由其针尖直径决定，可以达到10nm。然而，无孔式近场探针一般为外部直接照明，会引入极大的背景信号，需要配合使用复杂的干涉和锁相技术。为了消除背景信号并保留纳米级分辨能力，近年来发展了等离激元探针，通过在传统探针上刻蚀特定结构激发表面等离激元传播，在探针针尖实现纳米聚焦。但现有等离激元探针针尖局域光场较弱，使得其在超分辨测量和超衍射加工方面受到一定限制；并且只能测量样品表面的光学和形貌信息，在小扰动且具有高深宽比复杂三维纳米结构测量方面受到限制。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种锥形光纤结合纳米线的等离激元探针及其工作方法，本发明能够在针尖实现更大局域场增强，具有更高的分辨率和信号探测灵敏度，同时能够实现表面和高深宽比复杂三维结构形貌和光学信息测量。
为实现上述目的，本发明提供的方案为：
一种锥形光纤结合纳米线的等离激元探针，包括锥形探针纤芯、金属薄膜覆盖层和纳米线，金属薄膜覆盖层均匀分布在锥形探针纤芯的外表面，纳米线设置在金属薄膜覆盖层针尖位置；金属薄膜覆盖层表面开设有若干环形狭缝等离激元增强结构，若干环形狭缝等离激元增强结构能够形成共振干涉增强。
优选的，所述的锥形探针纤芯形状为锥体，锥体角为20°～40°，锥体针尖直径为25nm～100nm。
优选的，所述的金属薄膜覆盖层材料为金或银或铝，厚度为40nm～100nm。
优选的，环形狭缝等离激元增强结构为凹槽结构，凹槽结构由金属薄膜覆盖层的表面延伸至锥形探针纤芯的表面，所述凹槽结构沿锥形探针纤芯的轴线方向延伸。
优选的，环形狭缝等离激元增强结构的宽度为50nm～150nm。
优选的，所述的纳米线材料为金或银或碳纳米管。
优选的，所述的纳米线直径为2nm～50nm，长度为20nm～500nm。
优选的，所述的纳米线生长或组装在金属薄膜覆盖层针尖位置。
本发明锥形光纤结合纳米线的等离激元探针的工作方法，包括如下过程：
锥形光纤结合纳米线的等离激元探针处于工作状态时，光纤径向波导模式在锥形探针纤芯内传播，波矢匹配激发表面等离激元在金属薄膜覆盖层外表面传播，同时环形狭缝等离激元增强结构形成共振干涉，增强表面等离激元局域光场，然后由对接耦合方式激发纳米线表面等离激元传播，在纳米线下端形成局域增强的纳米尺度光场。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明锥形光纤结合纳米线的等离激元探针具有：(1)针尖局域场光场强：径向波导模式通过波矢匹配条件激发表面等离激元，同时由环形狭缝等离激元增强结构形成共振干涉，可以提高电磁场密度，在针尖位置产生极大的局域光场。(2)分辨率高：通过极小直径的纳米线进行形貌和光学信息测量，光场和形貌分辨率取决于纳米线直径，可以实现10nm级分辨率。(3)能够实现高深宽比复杂三维结构测量：在锥形光纤结构针尖位置生长或组装高长径比纳米线结构，能够进行表面和高深宽比复杂三维测量，同时极小直径纳米线对测量环境影响小，适合小扰动测量。
附图说明
图1为本发明的锥形光纤结合纳米线的等离激元探针XZ平面示意图；
图2为本发明的锥形光纤结合纳米线的等离激元探针XY平面示意图；
图中：1为锥形探针纤芯，2为金属薄膜覆盖层，3为环形狭缝等离激元增强结构，4为纳米线，5为光纤径向波导模式。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方法对本发明做清楚、具体的说明。
参照图1和图2，本发明的锥形光纤结合纳米线的等离激元探针包括锥形探针纤芯1、金属薄膜覆盖层2、环形狭缝等离激元增强结构3和纳米线4。金属薄膜覆盖层2均匀分布在锥形探针纤芯1的外表面，若干个环形狭缝等离激元增强结构3开设(可采用刻蚀的手段进行开设)在金属薄膜覆盖层2上，纳米线4生长或组装在金属薄膜覆盖层2针尖位置，若干环形狭缝等离激元增强结构3能够形成共振干涉增强的效果。参照图1和图2，本发明中，环形狭缝等离激元增强结构3为凹槽结构，凹槽结构由金属薄膜覆盖层2的表面延伸至锥形探针纤芯1的表面，所述凹槽结构沿锥形探针纤芯1的轴线方向延伸，如以图1所示的方位为例，环形狭缝等离激元增强结构3沿上下方向设置。
本发明锥形光纤结合纳米线的等离激元探针处于工作状态时，光纤径向波导模式5耦合到锥形探针纤芯1并在其中内传播，通过波矢匹配条件激发表面等离激元在金属薄膜覆盖层2外表面传播，同时特殊设计的环形狭缝等离激元增强结构3之间形成共振干涉，进一步增强表面等离激元局域光场，随着锥形探针半径的减小，表面等离激元在锥形探针针尖位置聚集并产生极大的电场密度，接着通过对接耦合方式激发纳米线4表面等离激元传播，可在纳米线4下端形成局域增强的纳米尺度光场。该纳米局域增强光场可以用于超分辨成像、光谱分析和超衍射加工，同时高长径比的纳米线可适用于小扰动且具有高深宽比复杂三维纳米结构测量。
作为本发明优选的实施方案，参照图1，锥形探针纤芯1由裸光纤腐蚀加工而成，形状为锥体，锥体角为20°～40°，锥体针尖直径为25nm～100nm。。
作为本发明优选的实施方案，参照图1，金属薄膜覆盖层2材料为金或银或铝，均匀覆盖在锥形探针纤芯外表面，形成无孔探针，覆盖层厚度为40nm～100nm。
作为本发明优选的实施方案，参照图1和图2，环形狭缝等离激元增强结构3刻蚀在金属薄膜覆盖层2上，刻蚀方向与锥形探针纤芯1轴线方向平行，刻蚀深度为20nm～100nm，刻蚀宽度为50nm～150nm，环形狭缝等离激元增强结构3与锥形探针纤芯1同轴。
作为本发明优选的实施方案，参照图1和图2，纳米线4材料为金或银或碳纳米管，生长或组装在金属薄膜覆盖层2针尖位置。
作为本发明优选的实施方案，纳米线4直径为2nm～50nm，长度为20nm～500nm。
实施例
本实施例锥形光纤结合纳米线的新型等离激元探针的结构如图1和图2所示，其中锥形探针纤芯由化学湿法刻蚀而成，锥体角为32°，锥尖直径为30nm；金属薄膜覆盖层2材料为金(Au)，厚度为80nm；环形狭缝等离激元增强结构3完全刻蚀，刻蚀深度80nm，刻蚀宽度100nm；纳米线4材料为碳纳米管，直径为10nm，长度为100nm，组装在金属薄膜覆盖层2针尖处。
632.8nm波长的径向光耦合到锥形探针纤芯1并以其本征径向波导模式5传播，通过波矢匹配条件激发表面等离激元在金属薄膜覆盖层2外表面传播，同时特殊设计的环形狭缝等离激元增强结构3之间形成共振干涉增强效应，进一步增强表面等离激元局域光场，随着锥形探针半径的减小，表面等离激元在锥形探针针尖位置聚集并产生极大的电场密度，接着通过对接耦合方式激发纳米线4表面等离激元传播，可在纳米线4下端形成局域增强的纳米尺度光场。
进行超分辨成像、光谱分析时，将纳米线4深入到小扰动测量环境或具有高深宽比复杂三维结构中，通过控制针尖Z方向高度，使纳米线4针尖局域增强光场与样品相互耦合，然后带有样品近场光学或成份信息的信号可由外部透镜收集到光电探测器；也可由纳米线4、金属薄膜覆盖层2和锥形探针纤芯1将信号反向耦合到光纤内进行收集。同时，通过提取检测纳米线4的力学信号可以恢复样品的形貌信息。
进行超衍射加工时，纳米线4针尖局域增强光场可以增强样品与针尖光场相互作用，通过控制针尖Z方向高度，可以实现利用针尖局域光场对材料的加工，同时监测探针Z方向位置，并对探针进行扫描操作，可以实现对样品的复杂图案纳米尺度加工。
Claims (9)
1.一种锥形光纤结合纳米线的等离激元探针，其特征在于，包括锥形探针纤芯(1)、金属薄膜覆盖层(2)和纳米线(4)，金属薄膜覆盖层(2)均匀分布在锥形探针纤芯(1)的外表面，纳米线(4)设置在金属薄膜覆盖层(2)针尖位置；金属薄膜覆盖层(2)表面开设有若干环形狭缝等离激元增强结构(3)，若干环形狭缝等离激元增强结构(3)能够形成共振干涉增强。
2.根据权利要求1所述的一种锥形光纤结合纳米线的等离激元探针，其特征在于，所述的锥形探针纤芯(1)形状为锥体，锥体角为20°～40°，锥体针尖直径为25nm～100nm。
3.根据权利要求1所述的一种锥形光纤结合纳米线的等离激元探针，其特征在于，所述的金属薄膜覆盖层(2)材料为金或银或铝，厚度为40nm～100nm。
4.根据权利要求1所述的一种锥形光纤结合纳米线的等离激元探针，其特征在于，环形狭缝等离激元增强结构(3)为凹槽结构，凹槽结构由金属薄膜覆盖层(2)的表面延伸至锥形探针纤芯(1)的表面，所述凹槽结构沿锥形探针纤芯(1)的轴线方向延伸。
5.根据权利要求1或4所述的一种锥形光纤结合纳米线的等离激元探针，其特征在于，环形狭缝等离激元增强结构(3)的宽度为50nm～150nm。
6.根据权利要求1所述的一种锥形光纤结合纳米线的等离激元探针，其特征在于，所述的纳米线(4)材料为金或银或碳纳米管。
7.根据权利要求1或6所述的一种锥形光纤结合纳米线的等离激元探针，其特征在于，所述的纳米线(4)直径为2nm～50nm，长度为20nm～500nm。
8.根据权利要求1所述的一种锥形光纤结合纳米线的等离激元探针，其特征在于，所述的纳米线(4)生长或组装在金属薄膜覆盖层(2)针尖位置。
9.权利要求1-8任意一项所述的锥形光纤结合纳米线的等离激元探针的工作方法，其特征在于，包括如下过程：
锥形光纤结合纳米线的等离激元探针处于工作状态时，光纤径向波导模式(5)在锥形探针纤芯(1)内传播，波矢匹配激发表面等离激元在金属薄膜覆盖层(2)外表面传播，同时环形狭缝等离激元增强结构(3)形成共振干涉，增强表面等离激元局域光场，然后由对接耦合方式激发纳米线(4)表面等离激元传播，在纳米线(4)下端形成局域增强的纳米尺度光场。
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| 表面等离激元纳米聚焦研究进展;李盼;《物理学报》;20190723;59-74 * |
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| CN111505342A (zh) | 2020-08-07 |
| WO2021218200A1 (zh) | 2021-11-04 |
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