基于贵金属纳米粒子等离子体共振耦合的微加工系统调平技术

The key technology for nanofabrication is realization nano leveling of manufacturing platform. Existing automatic machine-electricity leveling technology can not satisfy nano-precision requirement of high accuracy nanofabrication. In this application, novel leveling system is designed based on distance sensitivity mechanism of near field coupling from noble metal nanoparticles. The method comprises the following steps: prepare the optical fiber probe filled with noble metal nanoparticles which are commonly used coupling with substrate in near field optical microscopy; build the testing platform, mainly consisting of optical fiber probe, distance feedback control between probe tip and substrate, signal collecting and processing system. Three dimensional scanning on the substrate can also be performed; optimize the experimental parameters to gain perfectly coupling results, and the evanescent wave form near field scattering as a function of distance between probe tip and substrate is obtained based on the experimental combined with theoretical simulation results. Nano leveling manufacturing platform is developed using three point leveling system as level sensor. In this application, we report a novel leveling technology for nano processing system.

纳米加工的关键技术是实现加工平台纳米级的调平精度，现有的多种自动调平技术均未能满足这一精度要求。本申请拟利用纳米颗粒近场耦合的距离敏感性原理，发展具有纳米调平精度的新方法。具体思路为：制备装填有贵金属纳米颗粒的纳米探针，以探针针尖处纳米颗粒与基底的近场耦合为理论基础。搭建以光纤探针、探针-样品间距反馈控制、信号采集和处理为主要部件的系统平台，在平台上实现XYZ三维扫描控制。优化实验参数得到最佳的耦合条件，并通过实验和理论模拟得到探针针尖-基底间距离d与近场散射的消失波信号的关系并建立数学模型。基于三点调平的思想，采用三探针系统为水平传感器，通过自动调平系统，实现超微加工平台的精确调平。本申请的目的为发展一种新型的超精密加工平台的调平技术。

纳米加工的关键技术是实现加工平台纳米级的调平精度，现有的多种自动调平技术均未能满足这一精度要求。本文依据纳米粒子与金属薄膜之间耦合(LSP-SPP) 的距离敏感性原理, 提出了一种具有高空间分辨率的距离反馈模式， 并发展了一种新型的纳米间隙耦合增强微加工系统调平技术。其中，我们研发的新型暗场探针是纳米间隙耦合增强微加工系统调平技术的关键部件。纳米间隙耦合增强微加工调平系统是基于暗场探针尖端纳米颗粒与基底金膜之间的强耦合作用, 通过采集探针尖端纳米粒子的远场背散射光的共振波长及光强度, 作为探针与基底间距离d的反馈模式。距离d与共振波长满足幂函数关系。不同的粒子对应于不同的常数A、b, 因此需要对暗场探针进行标定。特定的波长对应唯一的粒子-基底间的距离。将这一关系作为耦合装置的距离反馈模式。除了以波长反馈以外, 光强同样也可以作为粒子-基底间距离d的反馈, 当距离d减小, 光强逐渐增大。特定的光强对应唯一的粒子-基底间的距离d。将这一关系作为下一步耦合装置的距离反馈模式。从波长~d及光强~d之间的关系式可知, 波长与光强均与距离具有对数关系。作为探针与基底间距离d的反馈模式距离表面Z方向的控制精度(距离分辨率)大致分为两个区域：强耦合区1~0.3nm, Z的控制精度可以达到埃米级；20~1纳米的经典耦合区, Z的控制精度较差。本文通过选取高敏感性粒子, 可极大提高耦合体系在经典区的距离分辨率。纳米粒子-金属薄膜耦合体系作为距离传感器, LSP与SPP之间的耦合程度及纳米粒子的环境敏感性直接影响其对距离传感的分辨率。通常采用的金、银纳米粒子很难在耦合距离1~20nm范围内实现小于1nm的距离控制精度。因此, 通过选择合适的粒子结构实现最佳的耦合及传感分辨率。本文设计了两种金属多壳层结构，包括梭形MxOy@SiO2@Au(M=Ti, Fe)多壳层结构，和梭形TiO2@M(M=Au,Ag)超薄壳层。梭形TiO2@M(M=Au，Ag)超薄壳层的制备采用静电吸附原理，其厚度均匀、可控，厚度可控范围~1nm。梭形TiO2@M(M=Au,Ag)超薄壳层具有超高的距离敏感性，可将距离控制精度提高20倍。文中耦合系统独特的距离控制模式, 不但可用于微加工调平技术，还可将其应用在溶液体系中,研究表界面反应； 基于纳米颗粒与基底的近场耦合距离和环境敏感性原理,可以对基底进行纳米尺度成分分析