CN114325884B

CN114325884B - 一种悬臂形圆二色性微纳结构及其制备方法

Info

Publication number: CN114325884B
Application number: CN202210001445.6A
Authority: CN
Inventors: 王勇凯; 李颖; 董军; 任凯利; 朱礼鹏
Original assignee: Xian University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Xian University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2022-01-04
Filing date: 2022-01-04
Publication date: 2023-06-06
Anticipated expiration: 2042-01-04
Also published as: CN114325884A

Abstract

本发明涉及手性微纳结构制备领域，具体涉及一种悬臂形圆二色性微纳结构及其制备方法，包括衬底层和微纳结构层，微纳结构层包括周期排布的手性单元，手性单元包括介质层和贵金属膜，贵金属膜置于介质层上，介质层和贵金属膜中设有孔洞，手性单元还包括第一悬臂和第二悬臂，第一悬臂和第二悬臂粘附在孔洞的部分侧壁上，第一悬臂和第二悬臂的材料与贵金属膜的材料相同，第一悬臂和第二悬臂的高度不同。一方面，通过第一悬臂和第二悬臂的高度差调控贵金属膜上的电荷振动，导致了强圆二色性；另一方面，本发明仅通过一次电子束刻蚀，再结合电子束蒸发倾斜镀膜技术即可获得，相对于双层三维结构的其他制备方法，制作流程简单，具有好的应用前景。

Description

一种悬臂形圆二色性微纳结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及手性微纳结构制备领域，具体涉及一种悬臂形圆二色性微纳结构及其制备方法。

背景技术

区分圆偏振光的偏振态在光学中属于基础问题。传统区分左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的方法一般是用四分之一波片包圆偏振光转化为不同偏振方向的线偏振光，然后在根据需要的偏振方向选用检偏器过滤。这种传统的方法所需要的元件的尺寸大，不利于器件的小型化和集成化。

制备手性微纳结构用以区分左旋圆偏振光和右旋圆偏振光克服了上述缺点，在圆偏振光判断等方面具有良好的应用前景。

三维手性微纳结构具有较强的圆二色性，例如三维螺旋(J.K.Gansel,Science,325,1513,2009)和双层结构(Y.Cui,Nano Lett.14,1021,2014)。由于制备三维结构需要用到激光直写或多次曝光，制备流程复杂，制备难度高。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供了一种悬臂形圆二色性微纳结构及其制备方法。

一方面，本发明提供了一种悬臂形圆二色性微纳结构，包括衬底层和微纳结构层，微纳结构层置于衬底层上，微纳结构层包括周期排布的手性单元，手性单元包括介质层和贵金属膜，贵金属膜置于介质层上，介质层和贵金属膜中设有孔洞，手性单元还包括第一悬臂和第二悬臂，第一悬臂和第二悬臂粘附在孔洞的部分侧壁上，第一悬臂和第二悬臂的材料与贵金属膜的材料相同，第一悬臂和第二悬臂的高度不同。

更进一步地，衬底层为透明材料。

更进一步地，衬底层为导电玻璃。

更进一步地，贵金属膜的材料为金或银。

更进一步地，孔洞为圆形。

更进一步地，第一悬臂和第二悬臂的对称轴方向均沿手性单元的周期方向。

另一方面，本发明还提供了一种悬臂形圆二色性微纳结构的制备方法，该制备方法包括如下步骤：

步骤1、准备衬底层：根据实际需要，用玻璃刀将导电玻璃切割成边长为1cm的小方块，注意保持每个小方块边角的完整性，这样方便后续曝光过程中的校准工作的进行，以及方便对曝光位置的选择；接下来是对衬底层的清洗工作，先分别用丙酮和酒精对其超声清洗15分钟，再用去离子水超声清洗3分钟，最后用氮气将清洗好的衬底层吹干以备待用；

步骤2、甩胶：打开匀胶机电源，设定好时间60s和转速4000rpm，用万用表测出衬底层的正反面，将其正面朝上吸附于匀胶机样品盘上；冰箱里取出PMMA(AR-P 672.03)，吸管吸取PMMA一滴，滴于衬底层中心，打开匀胶机开关进行甩胶。

步骤3、加热：打开加热板电源，温度设定至150℃，匀胶机中取出甩好PMMA的衬底层置于加热板上加热，其目的主要是对衬底层上PMMA的烘干，3min后取出衬底层置于样品盒。

步骤4、电子束曝光：将Spot设为3，HV设为15KV，曝光剂量设为100μC/cm²，调整像散，做好校准工作，选定曝光位置，开始对预先设计好的图形进行曝光。

步骤5、显影和定影：曝光完的样品放入显影液，停留60s；接着放入定影液，停留30s，之后取出置于样品盒。

步骤6、镀膜：镀膜前，衬底层贴于电子束蒸发镀膜仪中的样品盘后对其抽真空，当腔内压强达到4×10^-6torr方可开始两次镀膜；两次镀膜的倾斜角分别是第一倾斜角度和第二倾斜角度，第一倾斜角度和第二倾斜角度不相同；两次镀膜的方向角差值大于60度。

本发明的有益效果：本发明提供了一种悬臂形圆二色性微纳结构，包括衬底层和微纳结构层，微纳结构层置于衬底层上，微纳结构层包括周期排布的手性单元，手性单元包括介质层和贵金属膜，贵金属膜置于介质层上，介质层和贵金属膜中设有孔洞，手性单元还包括第一悬臂和第二悬臂，第一悬臂和第二悬臂粘附在孔洞的部分侧壁上，第一悬臂和第二悬臂的材料与贵金属膜的材料相同，第一悬臂和第二悬臂的高度不同。一方面，通过第一悬臂和第二悬臂的高度差调控贵金属膜上的电荷振动，使得整个微纳结构在不同圆偏振光照射时产生两种不同的电荷振动模式，导致了强圆二色性；另一方面，本发明仅通过一次电子束刻蚀，再利用电子束蒸发镀膜中的倾斜角沉积技术即可获得，相对于双层三维结构的其他制备方法，制作流程简单，在三维手性微纳结构制备领域具有良好的应用前景。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是一种悬臂形圆二色性微纳结构的俯视图。

图2是悬臂形圆二色性微纳结构的透射光谱(a)和圆二色性光谱(b)。

图3是入射光波长为830纳米时，手性单元上的电荷分布图。

图4所制备的悬臂形圆二色性微纳结构的SEM图。

图5是实验测得的透射光谱和圆二色性光谱图。

图中：1、贵金属膜；2、孔洞；3、第一悬臂；4、第二悬臂。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本申请作进一步详细说明。

实施例1

本发明提供了一种悬臂形圆二色性微纳结构。该悬臂形圆二色性微纳结构包括衬底层和微纳结构层。衬底层的材料为透明材料。优选地，衬底层的材料为导电玻璃。微纳结构层置于衬底层上。微纳结构层包括周期排布的手性单元。图1为微纳结构层的一个周期单元的俯视图。周期单元的排布周期可以为矩形周期或方形周期。手性单元包括介质层和贵金属膜1，贵金属膜1置于介质层上，介质层和贵金属膜1中设有孔洞2。孔洞2的形状为方形。手性单元还包括第一悬臂3和第二悬臂4，第一悬臂3和第二悬臂4粘附在孔洞2的部分侧壁上。具体地，第一悬臂3和第二悬臂4粘附在孔洞2的相邻侧壁上。第一悬臂3和第二悬臂4的高度不同，也就是说，在垂直于纸面方向，第一悬臂3和第二悬臂4具有不同的深度。第一悬臂3和第二悬臂4的材料与贵金属膜1的材料相同。从实现圆二色性的角度来说，第一悬臂3、第二悬臂4、贵金属膜1的材料可以各不相同，均能实现本发明的技术效果。但是，为了便于制备，第一悬臂3、第二悬臂4、贵金属膜1的材料相同，并且贵金属膜1的材料为金或银。

应用时，不同偏振态的圆偏振光照射贵金属膜1一侧，通过探测透射光实现圆二色性检测。在本发明中，一方面，通过第一悬臂3和第二悬臂4的高度差调控贵金属膜1上的电荷振动，使得整个微纳结构在不同圆偏振光照射时产生两种不同的电荷振动模式，导致了强圆二色性；另一方面，本发明仅通过一次电子束刻蚀，再结合电子束蒸发倾斜镀膜技术即可获得，相对于双层三维结构的其他制备方法，制作流程简单，在三维手性微纳结构制备领域具有良好的应用前景。

本发明设有孔洞2，并在孔洞2中形成了强电场和手性场，有利于在孔洞中设置手性分子，用于手性分子检测。

实施例2

在实施例1的基础上，孔洞2为圆形。这是因为对于方形孔洞2，要保证精确的镀膜角度才能将第一悬臂3和第二悬臂4贴附在相邻的两边上。但是，对于圆形孔洞2则不同，不管采用何种镀膜角度，第一悬臂3和第二悬臂4都贴附在了孔洞2的侧壁上。

实施例3

在实施例1-2的基础上，第一悬臂3和第二悬臂4的对称轴方向均沿手性单元的周期方向。也就是说，对于方形孔洞2来说，第一悬臂3和第二悬臂4的法线方向均沿手性单元的周期方向，在图1中就是水平或竖直方向；对于圆形孔洞2来说，第一悬臂3和第二悬臂4为弧形，弧形的角平分线沿手性单元的周期方向。由于手性单元的周期方向为贵金属膜1上表面等离极化激元的振动方向，第一悬臂3和第二悬臂4能够更多地调控贵金属膜1上的表面等离极化激元的振动，从而产生更强的圆二色性。

实施例4

本发明还设计了一种具体形貌参数的悬臂形圆二色性微纳结构，并应用COMSOL有限元软件计算了该微纳结构的圆二色性光谱和电荷分布，用以阐述本发明的核心原理。

贵金属膜1的材料为银，第一悬臂3和第二悬臂4的材料也为银，介质的材料为PMMA，衬底层的材料为玻璃，贵金属膜1的厚度为80纳米；孔洞2为圆形，孔洞2的直径为500纳米；第一悬臂3的高度为200纳米，第二悬臂4的高度为100纳米；第一悬臂3对应的弧度为120度，第二悬臂4对应的弧度为120度。第一悬臂3和第二悬臂4的厚度均为30纳米。

在图2中，正方形的连线表示左旋圆偏振光(LCP)光照射在悬臂形纳米结构上的谱线图，圆点连线表示右旋圆偏振光(RCP)光照射在悬臂形纳米结构上的谱线图。如图2所示，在RCP的照射下，透射的透射系数(T++)为27％，在LCP的照射下，透射的强度(T--)几乎为零，圆二色性(CD)为27％，实现了强圆二色性。

图3为入射光波长为830纳米处，手性单元上的电荷分布。图3a和图3c是悬臂形微纳结构电荷分布的俯视图；图3b和图3d是悬臂形微纳结构电荷分布的三维立体图。由于电荷主要分布在贵金属结构上，图中没有显示介质层和衬底层。当LCP光照射时，贵金属膜1上激发产生表面等离极化激元模式，第一悬臂3、第二悬臂4与贵金属膜1之间形成局域表面等离激元共振，造成对入射光的强吸收和低透射系数；当RCP光照射时，贵金属膜1上产生局域表面等离激元共振模式，第一悬臂3、第二悬臂4与贵金属膜1之间的耦合较弱，造成对入射光的弱吸收和较高的透射系数。总之，在不同圆偏振光照射下，第一悬臂3、第二悬臂4与贵金属膜1上电荷振动之间的耦合不同造成了强圆二色性，本发明提供了一种实现圆二色性的新颖结构。

实施例5

本发明还提供了一种悬臂形圆二色性微纳结构的制备方法，该制备方法包括如下步骤：

步骤1、准备衬底层：根据实际需要，用玻璃刀将导电玻璃切割成边长为1cm的小方块，注意保持每个小方块边角的完整性，这样方便后续曝光过程中的校准工作的进行以及方便对曝光位置的选择；接下来是对衬底层的清洗工作，先分别用丙酮和酒精对其超声清洗15分钟，再用去离子水超声清洗3分钟，最后用氮气将清洗好的衬底层吹干以备待用；

步骤2、甩胶：打开匀胶机电源，设定好时间60s和转速4000rpm，用万用表测出衬底层的正反面，将其正面朝上吸附于匀胶机样品盘上；冰箱里取出PMMA(AR-P672.03)，吸管吸取PMMA一滴，滴于衬底层中心，打开匀胶机开关进行甩胶；

步骤3、加热：打开加热板电源，温度设定至150℃，匀胶机中取出甩好PMMA的衬底层置于加热板上加热，其目的主要是对衬底层上PMMA的烘干，3min后取出衬底层置于样品盒；

步骤4、电子束曝光：将Spot设为3，HV设为15KV，曝光剂量设为100μC/cm²，调整像散，做好校准工作，选定曝光位置，开始对预先设计好的图形进行曝光；

步骤5、显影和定影：曝光完的样品放入显影液，停留60s；接着放入定影液，停留30s，之后取出置于样品盒；

步骤6、镀膜：镀膜前，衬底层贴于电子束蒸发镀膜仪中的样品盘后对其抽真空，当腔内压强达到4×10^-6torr方可开始两次镀膜；两次镀膜的倾斜角分别是第一倾斜角度和第二倾斜角度，第一倾斜角度和第二倾斜角度不相同；两次镀膜的方向角差值大于60度。两次镀膜时，材料沉积在PMMA表面形成贵金属膜1，两次镀膜的厚度形成了贵金属膜1的厚度，并分别形成了第一悬臂3和第二悬臂4。

镀膜后，不需要除胶即可获得本发明中的微纳结构，减少了除胶环节，样品制备的成功率高。

实施例6

应用实施例4中的方法制备了悬臂形微纳结构，其SEM图片如图4所示。图中标尺为1微米。图中圆孔2的左侧边界和上侧边界较亮区域为第一悬臂3和第二悬臂4。制备第一悬臂3和第二悬臂4时的倾斜角分别为27度和13度，以保证第一悬臂3和第二悬臂4的高度分别为200纳米和100纳米；制备第一悬臂3和第二悬臂4时的方向角相差120度。图5为上述样品的透射光谱和圆二色性光谱图，从图中可以看出，该结构实现了强圆二色性，证实了本发明的核心原理或构思。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims

1.一种悬臂形圆二色性微纳结构，其特征在于，包括衬底层和微纳结构层，所述微纳结构层置于所述衬底层上，所述微纳结构层包括周期排布的手性单元，所述手性单元包括介质层和贵金属膜，所述贵金属膜置于所述介质层上，所述介质层和所述贵金属膜中设有孔洞，所述手性单元还包括第一悬臂和第二悬臂，所述第一悬臂和所述第二悬臂粘附在所述孔洞的部分侧壁上，所述第一悬臂和所述第二悬臂的材料与所述贵金属膜的材料相同，所述第一悬臂和所述第二悬臂的高度不同。

2.如权利要求1所述的悬臂形圆二色性微纳结构，其特征在于：所述衬底层为透明材料。

3.如权利要求1所述的悬臂形圆二色性微纳结构，其特征在于：所述衬底层为导电玻璃。

4.如权利要求1所述的悬臂形圆二色性微纳结构，其特征在于：所述贵金属膜的材料为金或银。

5.如权利要求1所述的悬臂形圆二色性微纳结构，其特征在于：所述孔洞为圆形。

6.如权利要求1所述的悬臂形圆二色性微纳结构，其特征在于：所述第一悬臂和所述第二悬臂的对称轴方向均沿所述手性单元的周期方向。