[发明专利]一种基于表面等离子体共振的金属薄膜表面色散调制方法

说明书

技术领域

本发明属于金属表面图形化技术领域，具体涉及一种基于表面等离子体共振的金属薄膜表面色散调制方法。 

背景技术

表面等离子体波（Surface Plasmon Wave，SPW）是一种沿金属和介质界面传播的表面电磁波，其振幅随与分界面相垂直的深度的增大而呈指数形式衰减，根据Maxwell方程组和相应边界条件，可以得到SPW的色散关系： 

                （公式1）

其中为表面等离子体波的波矢，、分别为角频率和光速，、分别为金属和介质的介电常数。从色散关系可以看到SPW的性质与入射光波、金属介电常数和介质介电常数密切相关。

当入射光波沿金属和介质界面分量的波矢与表面等离子体波相匹配时，光波与SPW发生共振耦合，称之为表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）效应。体现在反射光谱上则为在特定波长和入射角处出现一个吸收峰，即共振峰。这一共振峰峰位对金属表面介质折射率的改变非常敏感，可广泛应用于包括化学量测量、物理量测量和生化检测等众多领域。 

SPR技术对芯片表面的物质浓度变化极为敏感，因此可用于如氢气浓度、酒精度、NH₃浓度等多种溶液浓度的检测；SPR技术也可用于测量芯片表面的介质层厚度、折射率及被测样品折射率等物理量，对SPR芯片修饰后还可以测量温度、湿度等物理量；SPR技术最重要的应用领域是生化过程检测，如配体-受体相互作用检测、抗体-抗原反应检测以及药物筛选和鉴定等。与传统分析方法相比，SPR技术具有灵敏度高、应用范围广、无需标记、对被测物体无损害、可以实现实时监控等众多优点，受到相关企业及研究人员的关注，在美、英、德等发达国家都进行了大量研究，国内研究单位也越来越多地关注该技术。而随着该技术的应用领域不断扩大，对SPR设备的灵敏度、分辨率等具体要求以及灵敏波段可调性的要求也越来越高，从材料构成及制备工艺上提升这些方面的性能是SPR器件革新的主流方向。 

在通常的表面等离子体共振研究中，亚波长表面微纳结构被广泛用于设计制造局域的表面色散特性，通过对金属膜色散特性的调制，在平板金属膜的色散曲线的基础上引入可控制的能带结构，从而克服了由电磁波衍射而引起的器件尺寸限制。这种方法称为表面色散调控（Surface dispersion engineering, SDE）。然而，一些现代纳米结构制造工艺，例如聚焦离子束刻蚀、电子束曝光和纳米压印等，不仅其成本较高，而且由于制造误差和金属膜的本征特性带来的表面粗糙度，会引入额外的散射损耗。尽管可以采用诸如模板剥离、表面变形的方法等降低平整金属膜表面粗糙度的影响，但是依然不可避免地给金属图形带来的散射损耗和误差。而本发明所述方法，正是解决了以上问题的一种不需要图形化工艺，只需要通过调节金属合金薄膜的组分配比实现调制平整金属膜色散特性的新方法。 

由于表面等离子体波的波矢较光波大而不能直接激发，因此需要提高光波波矢，一般采用棱镜耦合的方法，如Kretschmann耦合（图1），形成棱镜-金属-介质的结构。当P偏振光以一定入射角入射且满足共振条件时，才能在金属和介质表面产生表面等离子体共振。棱镜中光波波矢沿金属-介质界面方向的分量为 

                   （公式2）

其中n为棱镜的折射率，为光波入射角。从公式1已知表面等离子体波波矢，当光波波矢在表面等离子体传播方向的分量与表面等离子体波波矢相等时，产生表面等离子体共振，即

                     （公式3）

此时入射角满足一定条件

              （公式4）

由于棱镜的折射率n和介质介电常数（本发明中为空气）是已知的，因此表面等离子体共振的发生条件由金属膜的介电常数决定，材料的色散使的值与波长有关，即一定的波长对应相应的共振角度，反映在反射谱上为出现一个反射波谷。通过改变材料的本征特性可以调整其介电常数，从而对表面等离子体共振进行调制。

发明内容

本发明的目的是针对现有的表面色散调控中采用的方法即金属表面图形化带来的散射损失这一不足，提供一种能够自由改变金属表面色散的金属薄膜表面色散调制方法。 

本发明提供的金属薄膜表面色散调制方法，采用制备合金薄膜技术，在保证金属表面粗糙度影响足够低的情况下，通过改变磁控溅射双靶共溅射的靶电流来调整合金配比，获得具有不同介电常数的合金薄膜，从而使得金属表面色散自由可控。具体步骤如下：