基于非对称金属包覆介质波导结构的亚波长光栅刻写及其SERS应用

Sub-wavelength gratings is a critical element in photonics. So its fabrication and application has attracted a great deal of research attention. In this proposal, we plan to realize an adjustable period and large area sub-wavelength gratings inscribing based on asymmetric metal-cladding dielectric waveguiding structure and to apply the gratings in SERS research. Numerical simulation and theoretical analysis will be used to investigate the dependency of the waveguide modes, the surface plasmons modes existing in the waveguiding structure and the period of the sub-wavelength gratings inscribed to the thickness of the resist in detail. The 442nm and 325nm laser will be used to excite interference field of the waveguide modes or surface plasmons in the waveguiding structure, which will be used to fabricate the metal film/sub-wavelength dielectric gratings structure with various period. On this basis，the coupling structure of the metal film/sub-wavelength dielectric grating and metal nanoparticles will be used as SERS substrates. Theoretical analysis and numerical simulation will be used to investigate the excitation of surface plasmons and localized surface plasmons, the condition of high resonant coupling and its field enhancement, which may reveal the physical mechanism of high SERS signal enhancement within the coupling structure. Further more, the SERS detecting techniques with low cost, simple operation and high sensitive will be developed.

亚波长光栅是光子学中至关重要的一种基本元件，其制备和应用均是当前微纳光子学领域的研究重点。本项目中，申请人拟基于非对称金属包覆介质波导结构，实现周期可调的大面积亚波长光栅刻写并将其应用于SERS研究。理论上，通过数值模拟和理论分析手段，研究波导结构中存在的导波模式、表面等离子体模式及其刻写的亚波长光栅的周期与光刻胶薄膜厚度之间的关系。实验上，用442nm、325nm激光激发波导结构中的导模、表面等离子体干涉场，刻写制备各种周期的金属薄膜/亚波长介质光栅结构。在此基础上，将金属薄膜/亚波长介质光栅与金属纳米颗粒的耦合结构作SERS基底。通过理论分析与数值模拟，研究该耦合结构中表面等离子体、局域表面等离子体的激发及其强共振耦合条件和诱导的电场增强，揭示耦合结构提高SERS信号强度的物理机理，进而发展成本低廉、操作简单的高灵敏度SERS检测技术。

亚波长光栅是光子学中至关重要的一种基本元件，其制备和应用均是微纳光子学领域的研究重点。项目围绕非对称金属包覆介质波导结构中的导模干涉刻写亚波长光栅展开相关工作，研究按计划执行，取得了预期成果。研究了非对称金属包覆介质波导结构中的导模干涉场在金属薄膜表面制备亚波长光栅的规律，通过改变光刻胶的厚度，选择相关导模可刻写制备各种不同周期及深宽比的亚波长光栅。刻写亚波长光栅的最小周期达90nm，特征尺寸达45nm。研究结果提供了一种低成本、易操作的大面积亚波长光刻技术，有望应用到亚波长结构刻写制备领域；研究了介质光栅/金属薄膜与银纳米立方体复合结构中的表面等离子体效应，揭示了复合结构中产生表面等离子和强共振耦合的物理机理，为复合结构作为SERS基底，进行低浓度检测奠定了基础；研究了PMMA间隔的金纳米立方体与金膜复合结构中的表面等离子体效应和SERS光谱，复合结构由于其局域表面等离子体和传播表面等离子体间的强共振耦合作用，使得复合结构产生了比单一结构强很多的拉曼信号，在90nm金纳米立方体、14nm厚度PMMA间隔层和50nm金膜条件下，复合结构中可测量浓度低达10^-11M的R6G拉曼光谱。这种低成本、易操作、高灵敏的SERS检测，有望在低浓度检测中得到应用。. 在本研究项目经费资助下，已完成并发表研究论文11篇，其中8篇发表在SCI收录期刊，3篇发表在EI收录期刊；获授权发明专利2项，实用新型专利3项；参加全国学术会议并做口头报告7人次，培养硕士研究生 4名，优秀本科生4名。