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申请/专利权人：兰州理工大学

摘要：本发明公开了基于介质光栅‑金属薄膜与金属纳米颗粒复合结构的表面增强拉曼散射基底，包括玻璃衬底，金属薄膜，介质光栅，金属纳米颗粒。当TM偏振光正入射介质光栅‑金属薄膜与金属纳米颗粒的复合结构表面时，在介质光栅‑金属薄膜分界面上激发传播表面等离子体，在金属纳米颗粒上激发局域表面等离子体，传播表面等离子体和局域表面等离子体的强共振耦合，将使复合结构热点处的电场得到很大的增强，进而得到很强的表面增强拉曼散射信号。本发明具有制备简单，成本低廉，可提供超高电场增强因子等优势，可广泛应用于拉曼检测特别是低浓度检测领域。

主权项：1.基于介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒复合结构的表面增强拉曼散射基底，其特征在于，所述的基底从下到上依次包括玻璃衬底（1），金属薄膜（2），介质光栅（3），金属纳米颗粒（4）；当TM偏振光正入射介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒的复合结构表面时，在介质光栅-金属薄膜分界面上激发传播表面等离子体，在金属纳米颗粒上激发局域表面等离子体，传播表面等离子体和局域表面等离子体的强共振耦合，将使复合结构热点处的电场得到很大的增强，进而得到很强的表面增强拉曼散射信号；所述的金属薄膜（2），通过电子束蒸发蒸镀到玻璃衬底（1）上；所述的介质光栅（3），通过光刻法制备在蒸镀了金属薄膜（2）的玻璃衬底（1）上；所述的金属纳米颗粒（4），通过化学方法制备；将金属纳米颗粒（4）的水溶液滴涂在制备好的介质光栅（3）上，自然晾干，得到介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒复合结构；其中，玻璃衬底（1）采用二氧化硅玻璃材料，厚度为1mm；金属薄膜（2）采用银薄膜，厚度为45nm，通过电子束蒸发蒸镀在二氧化硅玻璃衬底（1）上；介质光栅（3）采用二氧化硅介质光栅，厚度为90nm，周期为312nm，占空比为0.5，形成的介质光栅-金属薄膜结构用于激发传播表面等离子体；金属纳米颗粒（4），采用银纳米立方体，尺寸为70nm，用作激发局域表面等离子体，将金属纳米颗粒（4）的水溶液滴涂在制备好的介质光栅（3）上，自然晾干，得到介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒复合结构；当波长为442nm的TM偏振光正入射上述材料和参数构成的介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒复合结构的表面时，入射光与金属纳米颗粒中的自由电子发生共振，激发局域表面等离子体，介质光栅-金属薄膜中的自由电子受光波作用发生共振，激发传播表面等离子体，传播表面等离子体和局域表面等离子体的强共振耦合，进一步将能量局域在金属纳米颗粒的顶点处，实现局域场增强，最大电场增强因子达到，而上述参数条件下单独的银纳米立方体放在二氧化硅玻璃衬底上时，热点处的最大电场增强因子为，介质光栅-金属薄膜结构热点处的最大电场增强因子为。

全文数据：基于介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒复合结构的表面增强拉曼散射基底技术领域[0001]本发明属^表面增强拉曼散射基底领域，涉及利用介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒复合结构进行表面增强拉曼散射SERS光谱测量的技术领域，特别涉及基于介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒复合结构的表面增强拉曼散射基底。背景技术[0002]拉曼光谱是基于拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面的信息，并应用于分子结构研究的一种光谱技术。但是普通拉曼散射信号十分微弱，这无疑限制了其在实际生产中的应用。表面增强拉曼散射克服了拉曼光谱灵敏度低的缺点，可以获得常规拉曼光谱所无法得到的结构信息。SERS源于表面等离子体共振引起的局域电磁场，因此微纳结构热点处的电场增强在SERS领域得到了广泛的应用。研宄人员己经设计出了许多相应的微纳结构，并实现了较高的电场增强和SERS测量，主要包括:通过各种形状的金属纳米颗粒激发的局域表面等离子体来提高电场增强，通过介质光栅-金属薄膜结构或者金属光栅-介质薄膜结构激发传播表面等离子体来提高电场增强。但是这些结构仍然存在一定的不足，主要表现在以下几个方面：[0003]1结构单一、电场增强较小:利用金属纳米颗粒激发的局域表面等离子体来提高电场增强，这种结构只是激发了单一的局域表面等离子体;通过介质光栅-金属薄膜结构或者金属光栅-介质薄膜结构激发传播表面等离子体来提高电场增强，这种结构只是激发了单一的传播表面等离子体来提高电场增强，没有传播表面等离子体和局域表面等离子体之间的强共振耦合，因此电场增强较小。[0004]2制备工艺复杂、成本高:通过金属光栅-介质薄膜激发的传播表面等离子体来提高电场增强因子，金属光栅介质薄膜在制备上有一定难度，成本较高。发明内容[0005]本发明的目的是提供基于介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒复合结构的表面增强拉曼散射基底，对上述用于提高电场增强的微纳结构进行技术改进，从而实现超高的电场增强，同时降低操作的难度和成本。[0006]为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：[0007]基于介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒复合结构的表面增强拉曼散射基底，所述的基底从下到上依次包括玻璃衬底，金属薄膜，介质光栅，金属纳米颗粒；当TM偏振光正入射介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒的复合结构表面时，在介质光栅-金属薄膜分界面上激发传播表面等离子体，在金属纳米颗粒上激发局域表面等离子体，传播表面等离子体和局域表面等离子体的强共振耦合，将使复合结构热点处的电场得到很大的增强，进而得到很强的表面增强拉曼散射信号。[0008]其中，所述的金属薄膜，通过电子束蒸发蒸镀到玻璃衬底上。[0009]其中，所述的介质光栅，通过光刻法制备在蒸镀了金属薄膜的玻璃衬底上。[0010]其中，所述的金属纳米颗粒，通过化学方法制备。[0011]其中，将金属纳米颗粒的水溶液滴涂在制备好的介质光栅上，自然晾干，得到介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒复合结构。[0012]本发明的原理在于：当TM偏振光正入射介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒复合结构表面时，入射光与金属纳米颗粒中的自由电子发生共振,金属纳米颗粒对光子能量产生很强的吸收作用，使得金属纳米颗粒表面的自由电子发生极化，在金属纳米颗粒内形成偶极子，从而形成局域表面等离子体。介质光栅-金属薄膜中的自由电子受光波作用发生共振，激发传播表面等离子体。同时，介质光栅-金属薄膜中的传播表面等离子体也将部分能量传递给金属纳米颗粒中的偶极子，即传播表面等离子体进一步激发了金属纳米颗粒中的局域表面等离子体，且发生了传播表面等离子体和局域表面等离子体的共振耦合，这使得金属纳米颗粒的极化作用明显增强，诱发的偶极子也极大地增强，从而导致了局部电场的进一步增强。即，当界面有传播表面等离子体时，除了入射的自由空间光外，表面等离子体的能量，也可以通过局域表面等离子体与传播表面等离子体的耦合，进一步将能量局域在金属纳米颗粒的顶点处，实现局域场增强，进而获得较高的SERS增强因子。[0013]其中，所述的介质光栅-金属薄膜，用来激发传播表面等离子体。[0014]其中，所述的金属纳米颗粒，用来激发局域表面等离子体。[0015]本发明基于介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒复合结构的表面增强拉曼散射基底具有如下优点：[0016]1制备简单，成本低:基于基于介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒复合结构的表面增强拉曼散射基底，介质光栅相比于金属光栅，制备简单，同时降低了光刻的成本。[0017]2具有超高电场增强:基于介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒复合结构的表面增强拉曼散射基底，通过介质光栅-金属薄膜分界面的传播表面等离子体和金属纳米颗粒的局域表面等离子体的激发以及强共振耦合，使得电场增强的效果明显高于单一的传播表面等离子体或单一的局域表面等离子体产生的电场增强效果。附图说明[0018]图1是本发明基于介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒复合结构的表面增强拉曼散射基底示意图。[0019]图1中：1为玻璃衬底，2为金属薄膜，3为介质光栅，4为金属纳米颗粒。具体实施方式_[0020]下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描叙，附图中相同的标号始终表示相同的部件。[0021]参照图1所示的基于介质光栅_金属薄膜与金属纳米颗粒复合结构的表面增强拉曼散射基底，包括玻璃衬底1，金属薄膜2，介质光栅3，金属纳米颗粒4。其中：[0022]下面结合具体实施例进行进一步说明：[0023]实施例1[0024]参照图1所示的基于介质光栅_金属薄膜与金属纳米颗粒复合结构的表面增强拉曼散射基底示意图，包括玻璃衬底1，金属薄膜2，介质光栅3，金属纳米颗粒4。其中：[0025]玻璃衬底1，采用二氧化硅玻璃材料，厚度约为lmm。[0026]金属薄膜2，采用银薄膜，厚度为45nm，通过电子束蒸发蒸镀在二氧化硅玻璃衬底1上。[0027]介质光栅3,采用二氧化硅介质光栅，厚度为9〇nm，周期为312nm，占空比为0.5,形成的介质光栅-金属薄膜结构用于激发传播表面等离子体。[0028]金属纳米颗粒4，采用银纳米立方体，尺寸为70nm，用作激发局域表面等离子体。将金属纳米颗粒4的水溶液滴涂在制备好的介质光栅3上，自然晾干，得到介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒复合结构。[0029]当波长为442nm的TM偏振光正入射上述材料和参数构成的介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒复合结构的表面时，入射光与金属纳米颗粒中的自由电子发生共振，激发局域表面等离子体。介质光栅-金属薄膜中的自由电子受光波作用发生共振，激发传播表面等离子体。传播表面等离子体和局域表面等离子体的强共振耦合，进一步将能量局域在金属纳米颗粒的顶点处，实现局域场增强，最大电场增强因子达到l_53Xl〇6。而上述参数条件下单独的银纳米立方体放在二氧化硅玻璃衬底上时，热点处的最大电场增强因子为丨.68X1〇5,介质光栅-金属薄膜结构热点处的最大电场增强因子为4.1：3X105。显然，介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒复合结构较单独的金属纳米颗粒结构、单独的介质光栅—金属薄膜结构，能够提供更高的电场增强因子，这是因为，金属纳米颗粒结构中只存在局域表面等离子体，介质光栅-金属薄膜结构中只存在传播表面等离子体，介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒复合后，有效的实现了这两种表面等离子体的强共振耦合，进一步将能量局域在金属纳米颗粒的顶点处，实现局域场增强，从而提供更高的电场增强因子，故作*SERS基底时，可以进一步提高SERS信号，用于更低浓度的检测。1[0030]本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

权利要求：1.基于介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒复合结构的表面增强拉曼散射基底，其特征在于，所述的基底从下到上依次包括玻璃衬底（1，金属薄膜2，介质光栅3，金属纳米颗粒4;当TM偏振光正入射介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒的复合结构表面时，在介质光栅_金属薄膜分界面上激发传播表面等离子体，在金属纳米颗粒上激发局域表面等离子体，传播表面等离子体和局域表面等离子体的强共振耦合，将使复合结构热点处的电场得到很大的增强，进而得到很强的表面增强拉曼散射信号。2.根据权利要求1所述的基于介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒复合结构的表面增强拉曼散射基底，其特征在于，所述的金属薄膜2，通过电子束蒸发蒸镀到玻璃衬底（1上。3.根据权利要求1所述的基于介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒复合结构的表面增强拉曼散射基底，其特征在于，所述的介质光栅3，通过光刻法制备在蒸镀了金属薄膜2的玻璃衬底（1上。4.根据权利要求1所述的基于介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒复合结构的表面增强拉曼散射基底，其特征在于，所述的金属纳米颗粒4，通过化学方法制备。5.根据权利要求1所述的基于介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒复合结构的表面增强拉曼散射基底，其特征在于，将金属纳米颗粒4的水溶液滴涂在制备好的介质光栅3上，自然晾干，得到介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒复合结构。

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