CN109163776B - 一种基于纳米金属孔洞阵列的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纳米金属孔洞阵列的测量方法，包括如下步骤：步骤1：使用纳米压印技术在金属薄膜上压印出一系列周期性均匀分布的纳米金属孔洞；步骤2：选择合适的纳米金属孔洞阵列结构；金属薄膜的厚度是500nm；步骤3：采用垂直入射光进行照射，引起纳米金属孔洞表面等离激元效应，把入射光“限制”在纳米金属孔洞中，使得纳米金属孔洞中的电场强度局部增强；步骤3：通过光谱仪定量的分析等离激元谐振波长的变化；步骤4：通过液体体积与反射光谱谱线之间的对应关系即测量得到纳米金属孔洞中液体的体积；步骤5：采用品质因数来定量的分析测量的效果。本发明具有无破坏性，无侵入性，无标记等特点。

Description

一种基于纳米金属孔洞阵列的测量方法

技术领域

本发明涉及纳米量筒技术领域，具体为一种基于纳米金属孔洞阵列的测量方法。

背景技术

在纳米晶体的合成、纳米系统的药物输送、纳米尺度分析化学以及纳米流体动力学等纳米技术应用中，定量分析纳米尺度液体体积对这些技术的应用是至关重要的。因此,纳米尺度液体体积的精确测量和控制在科学技术领域引起科研工作者的广泛关注。传统的扫描电子显微镜和原子力显微镜等显微镜测量方法，是无法测量纳米尺度的液体尺寸的，因此环境扫描电子显微镜和低温电子显微镜被人们开发出来以表征纳米尺度的液体样品。然而，这两种电子显微技术都具有破坏待测样品和测试系统复杂笨重等缺点。

在过去几年里，基于表面等离激元效应的纳米光学在无损、便携式纳米尺度物体测量方面表现出巨大的应用潜力。多种基于表面等离激元效应的纳米度量尺已经被开发出来，并被用于生物材料、软物质等方面测量纳米尺度的距离或大小。然而，表面等离激元纳米度量尺通常由相互临近的贵金属纳米颗粒构成，这种结构是无法测量纳米尺度的液体体积的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于纳米金属孔洞阵列的测量方法，解决了现有的部分背景技术问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于纳米金属孔洞阵列的测量方法，包括如下步骤：

步骤1：使用纳米压印技术在金属薄膜上压印出一系列周期性均匀分布的纳米金属孔洞；

步骤2：选择合适的纳米金属孔洞阵列结构；金属薄膜的厚度是500nm，纳米金属孔洞的深度是h，半径是r；

步骤3：采用垂直入射光进行照射，引起纳米金属孔洞表面等离激元效应(SurfacePlasmon Effects)，把入射光“限制”在纳米金属孔洞中，使得纳米金属孔洞中的电场强度局部增强；而纳米金属孔洞中的液位发生变化时，使得该结构所引起的表面等离激元谐振波长也随着变化；

步骤3：通过光谱仪定量的分析等离激元谐振波长的变化；

步骤4：通过液体体积与反射光谱谱线之间的对应关系即测量得到纳米金属孔洞中液体的体积；

步骤5：采用品质因数来定量的分析测量的效果。

优选的，所述步骤2中的纳米金属孔洞阵列结构应满足的是当纳米金属孔洞结构里面没有液体的时候，此结构本身的反射光谱就有很明显的谐振点；否则，此纳米金属孔洞阵列结构就不能实现测量液体体积的目的。纳米金属孔洞的深度在50nm到200nm之间。

优选的，所述纳米金属孔洞的周期为500nm，纳米金属孔洞的半径为125nm。

优选的，所述半径r的范围在90nm到160nm之间。

优选的，所述纳米金属孔洞的深度低于的1/3时，在纳米金属孔洞中沉积SiO2进行测量。

有益效果

本发明提供了一种基于纳米金属孔洞阵列的测量方法。具备以下有益效果:1.不同于现有的基于块体折射率的测量方法，本测量方法仅测量纳米金属孔洞内液体折射率的变化，纳米量筒表面不存在所测样品。2.与传统的显微镜测量方法相比，表面等离激元纳米光学量筒具有无破坏性，无侵入性，无标记等特点，使得这种测量方法对样品不会产生附加影响。3.表面等离激元纳米量筒可以使用纳米压印技术等技术大面积制备，工艺简单，可以大量生产且成本低廉。4.表面等离激元纳米量筒在测量纳米尺度液体体积时，所需设备少，且可以快速实时地得到测量结果。

本发明提出了基于可见光表面等离激元效应的纳米光学量筒设计。这种纳米光学量筒与传统量筒类似，可以简单地利用可见光光谱仪进行纳米尺度液体体积的测量。在这个测量方法中，光谱仪扮演着类似人眼读取宏观量筒测量值的作用，用来读出纳米尺度液体体积的相应値。

在本发明中，本发明的结构比较简洁，即在金属薄膜上构建一系列的周期性的纳米金属孔洞。当纳米金属孔洞中没有液体而且光是垂直入射到纳米结构薄膜上时，结构的几何尺寸会影响到这一结构的反射光谱，如纳米金属孔洞的直径、深度以及纳米金属孔洞阵列的周期。为了确定合适的纳米金属孔洞尺寸，采用基于有限元法的商业软件COMSOL来系统的研究这些参数的影响。随着纳米金属孔洞中液体深度的改变，反射光谱的谐振波长也会发生偏移，纳米金属孔洞深度和谐振波长之间的对应关系可以被用来作为一种测量纳米尺度液体体积的方法。

附图说明

图1是本发明的剖面图及水深与谐振波长对应关系；

图2是纳米金属孔洞深度200nm，半径125nm，底部沉积50nm的SiO2时，纳米金属孔洞中液面从2nm每隔2nm变化到146nm时的反射谱图；

图3是纳米金属孔洞深度200nm，半径125nm，底部沉积50nm的SiO2时，纳米金属孔洞中的液面从2nm，每隔2nm变化到146nm时的谐振点与水深度之间关系图；

图4是纳米金属孔洞深度200nm，半径125nm，底部沉积50nm的SiO2时，纳米金属孔洞中液面从2nm，每隔2nm变化到146nm时的FOM(品质因数)图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-4所示：使用纳米压印技术在金属薄膜上压印出一系列周期性的纳米金属孔洞，使用光谱仪分析纳米金属孔洞的深度、谐振波长之间的对应关系来获得所测液体的体积。当纳米金属孔洞中没有液体的时候，许多因素能影响到这一结构的反射光谱，如纳米金属孔洞的直径和深度以及纳米金属孔洞阵列的周期。为了确定一合适的纳米金属孔洞尺寸，在此采用了基于有限元法的商业软件COMSOL来系统地研究这些参数的影响，随着纳米金属孔洞中液体深度的改变，反射光谱的谐振波长也会发生偏移，所以纳米金属孔洞深度和谐振波长之间的对应关系可以被用来作为一种测量纳米尺度液体体积的方法。

本发明采用的是纳米金属孔洞阵列结构。周期性纳米金属孔洞结构模型、单元结构模型、单元结构剖面图如图1所示，图1(c)中的插图是纳米金属孔洞阵列单元在z方向的剖视图及空洞中水深与谐振波长的一一对应关系。纳米金属孔洞阵列在x,y方向的周期均是500nm，金属薄膜的厚度是500nm，纳米金属孔洞的深度是h，半径是r。采用COMSOL来进行仿真实验，仿真过程中用到的激励Flouquet激励并且垂直入射到单元结构上，在x,y方向采用周期性边界条件。

在研究周期性纳米金属孔洞阵列结构的反射光谱时，纳米金属孔洞半径和深度对反射光谱的影响很大。测量纳米尺度液体体积的方法是基于反射光谱谐振点的偏移，为了使这种结构具有测量液体体积的功能。

实施例1：选择单面抛光的硅片为基片，在基片上用纳米压印的方法获得纳米金属孔洞阵列结构，用电子束蒸镀的方法沉积500nm的Au在基片上，从而在基片表面获得Au的纳米金属孔洞阵列结构。

首先，采用控制变量的方法来探讨纳米金属孔洞的深度对反射光谱的影响。此处选取纳米金属孔洞的周期为500nm，纳米金属孔洞的半径为125nm。在用COMSOL仿真的时候，纳米金属孔洞的深度从10nm每隔2nm变化到496nm并进行参数扫描，对所得的数据结果进行处理后可以得到：当纳米金属孔洞的深度小于50nm的时候，反射光谱没有明显的谐振点。这是由于此时纳米金属孔洞很浅，相当于金属薄膜结构，不足以激发表面等离子共振现象。纳米金属孔洞的深度在50nm到200nm之间的时候，随着纳米金属孔洞深度的增加，谐振点红移。当纳米金属孔洞的深度大于200nm后，谐振点不会再随纳米金属孔洞深度的增加而发生偏移。其中的原因主要是因为SPP波是一种表面波，有一定的穿透深度，只限于在纳米金属孔洞结构的表面传播，纳米金属孔洞的深度增加，spp波不会往纳米金属孔洞内传播，导致谐振点不会发生偏移。所以，纳米金属孔洞的深度太浅就不能实现所期望的测量液体体积的效果，纳米金属孔洞的深度太深测量效果不是很理想。然后同样采用控制变量的方法，固定纳米金属孔洞的周期500nm，纳米金属孔洞的深度固定为150nm，纳米金属孔洞的半径从2nm以2nm变化到200nm,对半径进行参数扫描后得到数据并处理后可以得到：纳米金属孔洞的半径在90nm到160nm之间的时候，有明显的谐振点，此时表面等离子共振现象明显。当纳米金属孔洞的半径小于90nm的时候，由于没有激励起表面波，导致谐振点不明显，所以不能实现测量液体体积的目的。同样，当纳米金属孔洞的半径大于160nm时，也没有很明显的谐振点。

实施例2：探究完纳米金属孔洞中不装有液体时纳米金属孔洞周期半径深度的影响，接下来详细的讨论不同大小的纳米金属孔洞在测量液体体积时的效果。分别取半径r的值为30nm,90nm,105nm,120nm,150nm,190nm，此处选用纳米金属孔洞中的液体为水，让纳米金属孔洞中的水深度从2nm变化到150nm,每隔2nm取一个值。对不同半径下改变水深度得到的反射光谱进行处理后的结果发现反射光谱的谐振点基本不随水深度的增加而改变，这表明纳米金属孔洞的半径过小时，此纳米金属孔洞结构没有测量液体体积的效果。同样的，纳米金属孔洞的半径过大，同样也没有测量的效果。通过分析仿真结果可以得知当半径的范围选取在90nm到160nm之间，此时纳米金属孔洞结构在没有装有液体时光谱表现出良好的谐振特性，且谐振波长和水深度之间有一定的对应关系，即随水深度的增加，谐振波长也增加。

前面分析了固定深度而改变纳米金属孔洞半径的情况，接下来讨论纳米金属孔洞的半径固定为r＝125nm,而纳米金属孔洞深度h分别取40nm,60nm,80nm,120nm,160nm,250nm。分别对纳米金属孔洞的深度h在不同取值情况下进行仿真，仿真时水的深度同样从2nm变化到h,步长为2nm。仿真结果显示纳米金属孔洞深度较浅时谐振点基本不随水深度的增加而发生改变，在往纳米金属孔洞中注入水后，基本不能造成谐振点的偏移。所以纳米金属孔洞深度太浅时无测量的作用。当水深度大于某一值后，随着水深度的增加谐振点发生偏移。这就说明当纳米金属孔洞的深度选在这一范围时，可以利用谐振点与水深度之间的关系来测量液体体积。纳米金属孔洞结构在纳米金属孔洞中的液面较低，低于纳米金属孔洞深度的1/3时，品质因数FOM的值都不高，也就是说纳米金属孔洞中的液面如果较低，基本上测量不出纳米金属孔洞中液体的深度。为了解决这一问题，在纳米金属孔洞的底部沉积一定厚度的介质的办法。此处往空洞中沉积的是SiO2，SiO2的折射率参数是采用COMSOL里的SiO2(Gao)的参数。图2是纳米金属孔洞深度是200nm,纳米金属孔洞的半径是125nm,往纳米金属孔洞中沉积50nm的SiO2后，纳米金属孔洞中的水深度从2nm每隔2nm变化到146nm的反射谱图。从图3中可以看出，沉积50nm的SiO2后，不像之前的纳米金属孔洞中液面高度要大于纳米金属孔洞深度的1/3，谐振点才表现出随着液面的升高而发生红移，此处在液面很低的情况下，谐振点也随着液面高度的升高而发生红移，而且偏移量相对较大。图4是纳米金属孔洞深度是200nm,纳米金属孔洞的半径是125nm,往纳米金属孔洞中沉积50nm的SiO2后的FOM图，此时FOM的值均大于0.005，可以认为其在液面很低的情况下也是具有测量效果的。这就表明采用往纳米金属孔洞中沉积介质的方法是可以对结构的测量效果加以改进的。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种基于纳米金属孔洞阵列的测量方法，其特征在于，

当纳米金属孔洞的深度大于200nm后，谐振点不会再随纳米金属孔洞深度的增加而发生偏移；纳米金属孔洞中的液面低于纳米金属孔洞深度的1/3时，品质因数FOM的值都不高；测量范围为纳米金属孔洞的深度在50nm到200nm之间，随着纳米金属孔洞深度的增加，谐振点红移；纳米金属孔洞的半径范围选取在90nm到160nm之间；具体测量方法包括如下步骤：

步骤1：使用纳米压印技术在金属薄膜上压印出一系列周期性均匀分布的纳米金属孔洞；

步骤2：选择合适的纳米金属孔洞阵列结构；金属薄膜的厚度是500nm，纳米金属孔洞的深度是h，半径是r；

步骤3：采用垂直入射光进行照射，引起纳米金属孔洞表面等离激元效应(SurfacePlasmon Effects)，把入射光“限制”在纳米金属孔洞中，使得纳米金属孔洞中的电场强度局部增强；而纳米金属孔洞中的液位发生变化时，使得该结构所引起的表面等离激元谐振波长也随着变化；

步骤3：通过光谱仪定量的分析等离激元谐振波长的变化；

步骤4：通过液体体积与反射光谱谱线之间的对应关系即测量得到纳米金属孔洞中液体的体积；

步骤5：采用品质因数来定量的分析测量的效果。

2.根据权利要求1所述的一种基于纳米金属孔洞阵列的测量方法，其特征在于，所述纳米金属孔洞的周期为500nm，纳米金属孔洞的半径为125nm。

3.根据权利要求1所述的一种基于纳米金属孔洞阵列的测量方法，其特征在于，所述步骤3中的反射光谱谱线采用了基于有限元法的商业软件COMSOL。