纳米隙制备超灵敏传感器


  等离子体是电子密度波(density waves of electron),这种波引起了理论和应用科学家极大的兴趣,这是因为它们的新特性,也是因为它们可应用于遥感和光子技术。这些应用是可能的,因为等离子体敏感于表面性能,而且可以把电场浓缩到小的体积。制备这种复杂的纳米结构是必要的,因为可以支持等离子体,但是,这已证明是一个挑战。

  现在,有一种简单的制造技术,可以产生支持等离子体的纳米隙(nanogap)结构,覆盖很大面积,这已进行了演示,演示者是若菜久保(Wakana Kubo)和藤川茂德(Shigenori Fujikawa),他们来自日本和光(Wako)理化学研究所创新中心(RIKEN Innovation Center)和日本科学技术局。

  研究人员制造了一种结构,有很多拷贝,其组成都是两个巢状垂直金缸,缸之间隔开几十纳米。这种结构被称为“双纳米柱”,目的是支持一个高度集中的电场,就是在汽缸之间的间隙中,用以反应光照。间隙中充满液体或气体,双纳米柱的光学特性就会改变,这就会使它成为一种管用的传感器。

  通常情况下,这是间隙紧密的结构,比如双纳米柱,它的制作是逐个进行的,需要雕刻聚合物光刻胶(polymer resist),采用的是电子束,但这个过程是缓慢的,而且只可以刻制小面积。藤川和同事们使用了一种基于模板的涂层工艺来代替。他们蚀刻硅片,制成的模具具有定期间隔孔(periodically spaced holes),然后应用模具加个软性聚合物薄膜,这样就产生了阵列状的聚合物柱。然后,他们给这些柱子涂上一层金,接着是涂一层间隔层,之后,再涂第二层金。最后,他们移除这些聚合物薄膜和间隔层,就留下一个双纳米柱阵列(如上图)。采用这一工序,研究人员能够制备的图案面积大小相当于原始模板,可以进行改装,以包含不同的间隔层材料,这些间隔层都有精细控制的厚度。

  藤川和久保测试了这种双纳米柱作为传感器的折射率(refractive index),表明灵敏度大于其他传感器,这些传感器具有相等的金属表面积,但没有纳米级间隙。这一比较表明,电场在双纳米柱中确实高度集中。新的制造工艺标志着刚刚开始一个长期的研究项目,藤川说。 “我们并不完全了解这些纳米结构的光学特性,”他解释说。“我们将寻求与其他研究人员合作,进行进一步研究,并将尝试引入磁、电和有机材料,融入我们的工艺。”