納米金屬腔表面增強(qiáng)拉曼光譜的機(jī)理研究.pdf

1、表面增強(qiáng)拉曼散射（Surface Enhanced Raman Scattering， SERS）的發(fā)現(xiàn)克服了傳統(tǒng)拉曼光譜分子檢測(cè)方法中，由于分子拉曼散射截面很小而導(dǎo)致的拉曼散射光信號(hào)很弱、探測(cè)靈敏度低等不足。當(dāng)貴金屬（如金、銀、銅）表面制作具有一定形式的亞波長(zhǎng)尺度微結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)構(gòu)附近電磁場(chǎng)可獲得極大的增強(qiáng)，進(jìn)而增強(qiáng)該區(qū)域內(nèi)被測(cè)分子的拉曼信號(hào)，從而大大提高靈敏度，甚至達(dá)到單分子探測(cè)的水平。SERS無(wú)序金屬基底雖然可以采用化學(xué)方法得到且制備

2、成本較低，但是只能提供統(tǒng)計(jì)意義上的數(shù)據(jù)，不利于SERS機(jī)理的研究和SERS器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。矩形槽金屬腔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，而且能夠產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁增強(qiáng)。本論文開展了金屬腔及其陣列電磁增強(qiáng)的研究，建立了電磁增強(qiáng)的物理模型，揭示了矩形槽金屬腔電磁增強(qiáng)的物理機(jī)制，用以指導(dǎo)器件設(shè)計(jì)，完成了電磁增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制作及測(cè)試，得到的結(jié)論具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
　　 本論文建立了單金屬槽電磁增強(qiáng)的Fabry-Perot模型，精確預(yù)言了全矢

3、量方法嚴(yán)格計(jì)算的結(jié)果，并給出電磁增強(qiáng)機(jī)制的深入分析。系統(tǒng)地研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)和照明條件對(duì)電場(chǎng)增強(qiáng)因子(Enhancement Factor， EF)的影響。結(jié)果表明槽深、槽寬對(duì)EF的影響很大，而照明波長(zhǎng)、金屬類型和入射角對(duì)其影響很小。槽深滿足共振條件時(shí)，窄槽槽口可以產(chǎn)生103～104的電場(chǎng)增強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的SERS電磁增強(qiáng)因子為106～108?；贔abry-Perot模型的分析，明確了基模多次反射共振和較大的波阻抗是窄槽產(chǎn)生較高電場(chǎng)增強(qiáng)的物理原

4、因。
　　 以雙金屬槽為研究對(duì)象，本論文建立了電磁增強(qiáng)的表面波模型，精確復(fù)現(xiàn)了全矢量方法嚴(yán)格計(jì)算的結(jié)果，揭示了表面波被金屬槽激勵(lì)產(chǎn)生、沿金屬表面?zhèn)鞑ァⅠ詈线M(jìn)入金屬槽從而影響槽內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)的物理機(jī)制。結(jié)果表明，改變槽間距時(shí)，表面波耦合成為槽基模的振幅和相位隨之改變，進(jìn)而改變槽內(nèi)基模共振產(chǎn)生的電磁增強(qiáng)效應(yīng)。波長(zhǎng)的改變會(huì)影響表面波中表面等離子體（Surface Plasmon Polariton，SPP）和準(zhǔn)柱面波的相對(duì)比例，導(dǎo)致表

5、面波的衰減特性和相移常數(shù)發(fā)生變化，進(jìn)而改變表面波耦合成為槽基模的系數(shù)，最終對(duì)槽內(nèi)電磁增強(qiáng)因子產(chǎn)生影響。
　　 論文建立了金屬槽陣列電磁增強(qiáng)的Fabry-Perot模型，精確復(fù)現(xiàn)了嚴(yán)格耦合波算法的嚴(yán)格數(shù)值結(jié)果，深入分析了產(chǎn)生電磁增強(qiáng)的物理機(jī)制。系統(tǒng)地研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)和照明條件對(duì)陣列EF的影響。通過與單金屬槽電磁增強(qiáng)比較，顯示了陣列中槽間表面波電磁相互作用對(duì)電磁增強(qiáng)的影響。與單金屬槽電磁增強(qiáng)類似，當(dāng)槽深滿足模型給出的基模共振條件時(shí)，陣

6、列槽口的EF達(dá)到最大值，而且窄槽對(duì)應(yīng)的EF較大，照明波長(zhǎng)對(duì)陣列電磁增強(qiáng)的影響較小。不同的是，共振條件下陣列產(chǎn)生的EF比相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的單金屬槽幾乎高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，而且陣列EF受入射角的影響較大。模型分析揭示了陣列結(jié)構(gòu)激勵(lì)SPP導(dǎo)致的透射極小值對(duì)電場(chǎng)增強(qiáng)的重要影響，明確了陣列中槽間表面波電磁相互作用對(duì)EF的增強(qiáng)效應(yīng)，這種電磁相互作用來自陣列中各個(gè)槽激勵(lì)產(chǎn)生的表面波，這些表面波會(huì)沿金屬表面?zhèn)鞑ゲⅠ詈线M(jìn)入相鄰槽。另外，論文也建立了金屬狹縫陣列的

7、Fabry-Perot模型。通過對(duì)狹縫陣列電磁增強(qiáng)和異常透射的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)狹縫深度滿足模型給出的基模共振條件時(shí)，會(huì)同時(shí)發(fā)生電磁增強(qiáng)和異常透射現(xiàn)象。
　　 基于理論分析結(jié)果，設(shè)計(jì)了SERS實(shí)驗(yàn)中金基底槽陣列和狹縫陣列結(jié)構(gòu)，討論了實(shí)際加工的結(jié)構(gòu)中槽長(zhǎng)度L和周期數(shù)目N的有限近似對(duì)EF的影響，給出了接近理想電磁增強(qiáng)性能的L和N的數(shù)值。分析了加工的誤差容忍度，以及金基底厚度、鉻膜等對(duì)電磁增強(qiáng)的影響。完成了金基底槽陣列和狹縫陣列器件的加工，