CN108426869A - 一种用于增强拉曼信号的台阶形针尖-活性基底结构 - Google Patents
一种用于增强拉曼信号的台阶形针尖-活性基底结构 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108426869A CN108426869A CN201810208916.4A CN201810208916A CN108426869A CN 108426869 A CN108426869 A CN 108426869A CN 201810208916 A CN201810208916 A CN 201810208916A CN 108426869 A CN108426869 A CN 108426869A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- tip
- silver
- active substrate
- electric field
- probe
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 111
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 title claims abstract description 86
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 title claims abstract description 11
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 80
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims abstract description 67
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims abstract description 67
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 32
- FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N Silver ion Chemical compound [Ag+] FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 37
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 9
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 7
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 4
- 238000010791 quenching Methods 0.000 claims description 3
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 abstract description 85
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 26
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 16
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 12
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 10
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 description 8
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 8
- 238000004416 surface enhanced Raman spectroscopy Methods 0.000 description 8
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 7
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 5
- 239000002077 nanosphere Substances 0.000 description 5
- JUJWROOIHBZHMG-UHFFFAOYSA-N Pyridine Chemical compound C1=CC=NC=C1 JUJWROOIHBZHMG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 4
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 3
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- UMJSCPRVCHMLSP-UHFFFAOYSA-N pyridine Natural products COC1=CC=CN=C1 UMJSCPRVCHMLSP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000002301 combined effect Effects 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000002372 labelling Methods 0.000 description 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 1
- 229910000614 lithium tin phosphorous sulfides (LSPS) Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 239000010445 mica Substances 0.000 description 1
- 229910052618 mica group Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000007788 roughening Methods 0.000 description 1
- 238000004621 scanning probe microscopy Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 238000004557 single molecule detection Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 238000002198 surface plasmon resonance spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000000772 tip-enhanced Raman spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/65—Raman scattering
- G01N21/658—Raman scattering enhancement Raman, e.g. surface plasmons
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
- G01N21/6428—Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes"
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
- G01N21/6428—Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes"
- G01N2021/6432—Quenching
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Pathology (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
本发明公开了一种用于增强拉曼信号的台阶形针尖‑活性基底结构。本发明包括具有凹状台阶结构的等离激元探针和设置在衬底上表面的银纳米粒子活性基底；所述探针前部的台阶结构的高度为20‑100 nm，等离激元探针的针尖曲率半径为5‑50 nm，等离激元探针镀有银膜，银膜厚度为5‑50 nm，银膜高度为200‑300 nm，银纳米粒子直径为15‑105 nm，等离激元探针的针尖和银纳米粒子活性基底的间距为1‑20 nm。本发明台阶形针尖‑活性基底结构在中心区域可以产生很大的拉曼增强因子，通过对台阶形针尖‑活性基底结构的结构参数进行优化进一步提高了中心区域的拉曼增强因子，提供了对电场增强的一种有效途径。
Description
技术领域
本发明涉及纳米材料和632.8nm激光光源下针尖增强拉曼散射技术领域，更具体的说，是涉及一种用于增强拉曼信号的台阶形针尖-活性基底结构。
背景技术
拉曼光谱术是一种无需样品标记的物质化学信息检测方法，能够通过光与被测物质的相互作用，反应物质的振动、转动能级，检测样品的物质结构。但由于受到光学衍射极限和探测灵敏度的限制，拉曼光谱很难直接应用于纳米尺度材料和结构的研究。近年来，结合扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope，SPM)和表面增强拉曼光谱技术(Surface-Enhanced Raman Scattering，SERS)的针尖增强拉曼光谱技术(Tip-EnhancedRaman Scattering，TERS)发展迅速，已经被应用于材料科学、生物医学和生命科学等领域。1974年，Fleishmann 等在对光滑银电极表面进行粗糙化处理并在其表面吸附单层的吡啶分子后，获得了吡啶分子高质量和高强度的拉曼光谱，其后类似的增强现象在一些其他体系中得到了确认并被称为SERS技术。1985年，Wessle首先提出了将扫描探针显微镜SPM 和表面增强拉曼光谱术SERS增强机理相结合而构成具有高空间分辨率光谱探测方法的设想。2000年左右多个国家的研究小组分别通过 SPM 和SERS联用实现了TERS的实验验证，并正式提出了TERS概念。
当入射光以适当的波长和偏振方向照射在纳米尺度的尖锐金属探针尖端时，在局域表面等离激元共振效应(Localized surface plasmon resonance，LSPR)、避雷针效应(Lightning-rod effect)和基底镜像效应的共同作用下，针尖附近会产生强烈的局域电磁场增强，此时的金属针尖可以看作具有极高功率密度的纳米光源，激发针尖下方样品的拉曼信号，称为针尖增强拉曼光谱(TERS)。TERS技术兼具了SPM和SERS的优点，不仅具有高的空间分辨率，同时还具有高探测灵敏度，能够对纳米物质成分进行测量分析并同步获取高分辨形貌图像，实现物质分子形貌和物性的对照表征。TERS技术为纳米尺度物质的化学分析和形貌成像开辟了新的可能。TERS增强主要取决于针尖和TERS模型结构的一些激发条件，包括针尖的曲率半径、几何形状和材料、基底的材料以及入射角等。
大量研究表明，单独探针性能的研究对设计和优化探针具有重要意义，但单纯仅靠针尖增强很难获得足够单分子拉曼探测的灵敏度和空间分辨率，基底的材质和微观结构会对针尖-基底体系LSPS激发产生明显影响，利用基底可以进一步提高针尖-基底间的电场强度和局域性。TERS系统一般可以使用玻璃、云母、硅片等常规平坦介质材料表面作为基底，考虑到介质基底对电场并无明显的增强作用，通过在介质基底上沉积金、银纳米颗粒构成 SERS 基底，可以进一步增强拉曼信号并淬灭荧光，称为SERS-TERS模式。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种用于增强检测信号的台阶形针尖-活性基底结构。针尖前部的纳米尺度的台阶等离激元结构提高了针尖的激发效率和增强因子，银纳米粒子活性基底可以进一步增强拉曼信号并淬灭荧光。
本发明基于时域有限差分(Finite Difference Time Domain，FDTD)算法和局域表面等离激元理论分析了台阶形针尖-活性基底结构的不同参数如针尖的台阶高度、曲率半径、镀银膜厚度、镀银膜高度、银纳米粒子直径、针尖与银纳米粒子活性基底的间距和入射光角度对近场电场分布及近场场增强特性的影响，从而设计出工作在632.8nm激光光源下、具有较高局域场增强的针尖-基底结构，较大电磁场增强因子的产生使得本发明可以很好的应用在单分子的检测中来提高检测信号的强度。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于增强拉曼信号的台阶形针尖-活性基底结构，包括具有凹状台阶结构的等离激元探针和设置在衬底上表面的银纳米粒子活性基底，等离激元探针前部的台阶结构用于提高针尖的激发效率和增强因子，银纳米粒子活性基底用于增强拉曼信号并淬灭荧光；所述衬底由玻璃介质构成，所述等离激元探针前部的台阶结构的高度为20-100 nm，等离激元探针的针尖曲率半径为5-50 nm，所述等离激元探针镀有银膜，银膜厚度为5-50 nm，银膜高度为200-300 nm，所述银纳米粒子直径为15-105 nm，所述等离激元探针的针尖和银纳米粒子活性基底的间距为1-20 nm。
所述衬底的规格尺寸为1000nm×1000nm×150nm。
所述衬底的介电常数为1.5。
所述台阶形针尖材料选用化学性质稳定的钨（W）。
下面是研究通过改变本发明台阶形针尖-活性基底结构的结构参数对场增强影响的几个方案：
在垂直于台阶形针尖-活性基底结构的上方施加激励源，设定针尖的台阶高度为80nm，针尖曲率半径为5 nm，镀银膜厚度为25 nm，镀银膜高度为300 nm，纳米银球的直径为55nm，探针与纳米银球间距为2 nm，入射光角度由15°逐渐递增到85°。依据上述参数设定对本发明台阶形针尖-活性基底结构进行仿真并选择针尖与基底间隔中心处为场增强因子观测点，记录该点处的归一化电场强度和拉曼增强因子，计算入射角度对拉曼增强信号的影响。当入射角为45°时，中心区域电场强度和拉曼增强因子最大，电场强度为80.3553 V/m，拉曼增强因子为4.17×107，此时拉曼增强达到最大。
在垂直于台阶形针尖-活性基底结构的上方施加激励源，设定针尖曲率半径为5nm，镀银膜厚度为25 nm，镀银膜高度为300 nm，纳米银球的直径为55 nm，探针与纳米银球间距为2 nm，入射光角度为45°，针尖的台阶高度由20nm逐渐递增到为100nm，依据上述参数设定对本发明台阶形针尖-活性基底结构进行仿真并选择针尖与基底间隔中心处为场增强因子观测点，记录该点处的归一化电场强度和拉曼增强因子，计算针尖的台阶高度对拉曼增强信号的影响。当针尖的台阶高度为80nm时，中心区域电场强度和拉曼增强因子最大，此时拉曼增强达到最大。
在垂直于台阶形针尖-活性基底结构的上方施加激励源，设定针尖的台阶高度为80nm，镀银膜厚度为25 nm，镀银膜高度为300 nm，纳米银球的直径为55 nm，探针与纳米银球间距为2 nm，入射光角度为45°，针尖的曲率半径由5nm逐渐递增到50nm。依据上述参数设定对本发明台阶形针尖-活性基底结构进行仿真并选择针尖与基底间隔中心处为场增强因子观测点，记录该点处的归一化电场强度和拉曼增强因子，计算针尖的曲率半径对拉曼增强信号的影响。当针尖的曲率半径为5nm时，中心区域电场强度和拉曼增强因子最大，随着针尖曲率半径的增大电场强度和拉曼增强因子逐渐减小，电场强度由曲率半径为5nm时的为80.3553 V/m减小到曲率半径为50nm时的51.0873 V/m，拉曼增强因子由曲率半径为5nm时的为4.17×107减小到曲率半径为50nm时的6.81×106。
在垂直于台阶形针尖-活性基底结构的上方施加激励源，设定针尖的台阶高度为80nm，针尖曲率半径为5 nm，镀银膜高度为300 nm，纳米银球的直径为55 nm，探针与纳米银球间距为2 nm，入射光角度为45°，针尖的镀银膜厚度由5nm逐渐递增到50nm。依据上述参数设定对本发明台阶形针尖-活性基底结构进行仿真并选择针尖与基底间隔中心处为场增强因子观测点，记录该点处的归一化电场强度和拉曼增强因子，计算镀银膜厚度对拉曼增强信号的影响。当镀银膜厚度为25 nm时，中心区域电场强度和拉曼增强因子最大，此时拉曼增强达到最大。由于退相位作用，随着镀膜厚度的进一步增加增强效应反而不断减少。
在垂直于台阶形针尖-活性基底结构的上方施加激励源，设定针尖的台阶高度为80nm，针尖曲率半径为5 nm，镀银膜厚度为25 nm，纳米银球的直径为55 nm，探针与纳米银球间距为2 nm，入射光角度为45°，镀银膜高度由200nm逐渐递增到300nm。依据上述参数设定对本发明台阶形针尖-活性基底结构进行仿真并选择针尖与基底间隔中心处为场增强因子观测点，记录该点处的归一化电场强度和拉曼增强因子，计算镀银膜高度对拉曼增强信号的影响。随着镀膜长度的增加电场强度和拉曼增强因子增大，拉曼增强效应不断增加。当镀银膜高度为300 nm时，中心区域电场强度和拉曼增强因子最大，此时拉曼增强达到最大。
在垂直于台阶形针尖-活性基底结构的上方施加激励源，设定针尖的台阶高度为80nm，针尖曲率半径为5 nm，镀银膜厚度为25 nm，镀银膜高度为300 nm，探针与纳米银球间距为2 nm，入射光角度为45°，纳米银球的直径由15nm逐渐递增到105nm。依据上述参数设定对本发明台阶形针尖-活性基底结构进行仿真并选择针尖与基底间隔中心处为场增强因子观测点，记录该点处的归一化电场强度和拉曼增强因子，计算纳米银球的直径对拉曼增强信号的影响。当纳米银球的直径为55 nm时，中心区域电场强度和拉曼增强因子最大，此时拉曼增强达到最大。
在垂直于台阶形针尖-活性基底结构的上方施加激励源，设定针尖的台阶高度为80nm，针尖曲率半径为5 nm，镀银膜厚度为25 nm，镀银膜高度为300 nm，纳米银球的直径为55 nm，入射光角度为45°，探针与纳米银球间距由1nm逐渐递增到20nm。依据上述参数设定对本发明台阶形针尖-活性基底结构进行仿真并选择针尖与基底间隔中心处为场增强因子观测点，记录该点处的归一化电场强度和拉曼增强因子，计算探针与纳米银球间距对拉曼增强信号的影响。当探针与纳米银球间距为1nm时，中心区域电场强度和拉曼增强因子最大，电场强度为88.5446 V/m，拉曼增强因子为5.11×107，此时拉曼增强达到最大。
通过以上研究方案可知本发明台阶形针尖-活性基底结构提供了对电场增强的一种有效途径。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
台阶形针尖-活性基底结构在中心区域可以产生很大的拉曼增强因子，通过对台阶形针尖-活性基底结构的结构参数进行优化进一步提高了中心区域的拉曼增强因子，提供了对电场增强的一种有效途径。本发明在中心区域产生较强的电场增强，这使得本发明在拉曼散射单分子检测信号的增强应用中有重要的价值。
附图说明
图1为本发明台阶形针尖-活性基底结构的整体结构和针尖尖端局部放大示意图,红色箭头为光源入射方向，蓝色箭头为光源偏振方向；
图2（a）-图2（c）为入射光角度变化时在X-Z平面上的归一化电场|E|/|E0|分布；
图3为本发明台阶形针尖-活性基底结构入射光角度变化对电场强度和拉曼增强因子的影响示意图；
图4（a）-图4（c）为台阶高度变化时在X-Z平面上的归一化电场|E|/|E0|分布；
图5为本发明台阶形针尖-活性基底结构台阶高度变化对电场强度和拉曼增强因子的影响示意图；
图6（a）-图6（c）为针尖曲率半径变化时在X-Z平面上的归一化电场|E|/|E0|分布；
图7为本发明台阶形针尖-活性基底结构针尖曲率半径变化对电场强度和拉曼增强因子的影响示意图；
图8（a）-图8（c）为针尖的镀银膜厚度变化时在X-Z平面上的归一化电场|E|/|E0|分布；
图9为本发明台阶形针尖-活性基底结构针尖的镀银膜厚度变化对电场强度和拉曼增强因子的影响示意图；
图10（a）-图10（c）为镀银膜高度变化时在X-Z平面上的归一化电场|E|/|E0|分布；
图11为本发明台阶形针尖-活性基底结构针尖的镀银膜高度变化对电场强度和拉曼增强因子的影响示意图；
图12（a）-图12（c）为银纳米粒子直径变化时在X-Z平面上的归一化电场|E|/|E0|分布；
图13为本发明台阶形针尖-活性基底结构银纳米粒子直径变化对电场强度和拉曼增强因子的影响示意图；
图14（a）-图14（c）为针尖与银纳米粒子间距变化时在X-Z平面上的归一化电场|E|/|E0|分布；
图15为本发明台阶形针尖-活性基底结构针尖与银纳米粒子间距变化对电场强度和拉曼增强因子的影响示意图；
图16为本发明台阶形针尖-活性基底结构最大电场增强的三维效果图；
附图标记：1—等离激元探针 2—银纳米粒子 3—衬底 θ—入射光角度 r—针尖曲率半径 t—镀银膜厚度 h—镀银膜高度 a—台阶高度d—银纳米粒子的直径 g—针尖到基底的距离。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步描述。
如图1所示，一种用于增强拉曼信号的台阶形针尖-活性基底结构，包括具有凹状小台阶结构的等离激元探针1、银纳米粒子2和衬底3，银纳米粒子2设置于衬底3的上表面构成活性基底，所述衬底3由玻璃介质构成，所述台阶形针尖1的直径为150 nm，针尖1高度为300 nm，针尖1材料选用化学性质稳定的钨（W），并在其表面镀有银（Ag）涂层，针尖1的台阶高度范围a为20-100 nm，针尖1的曲率半径r为5-50 nm，镀银膜厚度t为5-50 nm，镀银膜高度h为200-300 nm，所述银纳米粒子2的直径d为15-105 nm，所述台阶形针尖1和银纳米粒子2的间距g为1-20 nm。
通过时域有限差分算法和局域表面等离激元理论仿真分析本台阶形针尖-活性基底结构的特性：
仿真中激励源采用平面波，计算波长为632.8 nm，因为632.8 nm光源的光子能量相对较低，不足以激发样品分子发射出荧光，入射光幅值E0为1 V/m。
采用时域有限差分算法，计算区域采用真空的背景环境，计算区域设置为1000×1000×1000nm3，吸收边界条件选择完美匹配层（PML）。在网格设置中，为了节约模拟时间和确保精确结构的模拟，采用了非均匀网格化，仿真时网格大小设为4nm，针尖端部采取了更细的网格2nm。计算时间为2000fs，已确保计算的收敛性(可以通过设时间监视器，判断是否收敛)。
为了研究台阶形针尖-活性基底结构的入射光角度θ对近场电场分布的影响，设定针尖1的台阶高度a=80nm，针尖1曲率半径r=5nm，镀银膜厚度t=25nm，镀银膜高度h=300nm，银纳米粒子2的直径d=55 nm，针尖1与银纳米粒子2间距g=2nm不变，入射光角度θ由15°逐渐递增到85°。依据上述参数设定对本发明台阶形针尖-活性基底结构进行仿真并选择针尖与基底间隔中心处为场增强因子观测点，记录该点处的归一化电场强度和拉曼增强因子，电场仿真结果如图2（a）-图2（c）所示，为了更直观的描述入射光角度θ与电场强度E和拉曼增强因子EF的关系，给出了图3。从图2（a）-图2（c）、图3可以看出，本发明台阶形针尖-活性基底结构具有较强的电场增强效应，最大场增强E出现在入射角θ为45°时，可以达到80.3553V/m，拉曼增强因子EF为4.17×107。
为了研究台阶形针尖-活性基底结构的针尖台阶高度对近场电场分布的影响，设定针尖1曲率半径r=5nm，镀银膜厚度t=25nm，镀银膜高度h=300nm，银纳米粒子2的直径d=55nm，针尖1与银纳米粒子2间距g=2nm，入射光角度θ=45°不变，针尖1的台阶高度a由20 nm逐渐递增到100 nm。依据上述参数设定对本发明台阶形针尖-活性基底结构进行仿真并选择针尖与基底间隔中心处为场增强因子观测点，记录该点处的归一化电场强度和拉曼增强因子，电场仿真结果如图4（a）-图4（c）所示，为了更直观的描述针尖台阶高度与电场强度E和拉曼增强因子EF的关系，给出了图5。从图4（a）-图4（c）、图5可以看出，本发明台阶形针尖-活性基底结构最大场增强出现在针尖的台阶高度a为80 nm时，针尖前端的纳米尺度的台阶等离激元结构可产生更强的光场局域性，增强因子更高，检测的信噪比更好。
为了研究台阶形针尖-活性基底结构的针尖曲率半径对近场电场分布的影响，设定针尖1的台阶高度a=80nm，镀银膜厚度t=25nm，镀银膜高度h=300nm，纳米银球2的直径d=55nm，针尖1与银纳米粒子2间距g=2nm，入射光角度θ=45°不变，针尖1曲率半径r由5 nm逐渐递增到50 nm。依据上述参数设定对本发明台阶形针尖-活性基底结构进行仿真并选择针尖与基底间隔中心处为场增强因子观测点，记录该点处的归一化电场强度和拉曼增强因子，电场仿真结果如图6（a）-图6（c）所示，为了更直观的描述针尖曲率半径与电场强度E和拉曼增强因子EF的关系，给出了图7。从图6（a）-图6（c）、图7可以看出，从图中可以看出拉曼增强效应随针尖曲率半径的增加而减小，这是由于曲率半径小的电荷密度相对曲率半径大的要高很多，因而形成很强的局域表面电磁场分布。当曲率半径r为5nm时，针尖-基底结构的拉曼增强达到最大，增强因子为107数量级。
为了研究台阶形针尖-活性基底结构的镀银膜厚度对近场电场分布的影响，设定针尖1的台阶高度a=80nm，针尖1曲率半径r=5 nm，镀银膜高度h=300nm，银纳米粒子2的直径d=55 nm，针尖1与银纳米粒子2间距g=2 nm，入射光角度θ=45°不变，镀银膜厚度t由5 nm逐渐递增到50 nm。依据上述参数设定对本发明台阶形针尖-活性基底结构进行仿真并选择针尖与基底间隔中心处为场增强因子观测点，记录该点处的归一化电场强度和拉曼增强因子，电场仿真结果如图8（a）-图8（c）所示，为了更直观的描述镀银膜厚度与电场强度E和拉曼增强因子EF的关系，给出了图9。从图8（a）-图8（c）、图9可以看出，当镀银膜厚度t为5 nm时，电场强度E=34.6136 V/m，增强因子EF=1.44×106。随着镀膜厚度的增加，电场强度E和增强因子EF增大，且增幅较大，当镀银膜厚度t=25 nm时，本发明台阶形针尖-活性基底结构的拉曼增强最大。此时“热点”（最大电场增强）产生在针尖1与银纳米粒子2之间，由于退相位作用，随着镀膜厚度的进一步增加增强效应反而不断减少。
为了研究台阶形针尖-活性基底结构的镀银膜高度对近场电场分布的影响，设定针尖1的台阶高度a=80nm，针尖1曲率半径r=5 nm，镀银膜厚度t=25nm，银纳米粒子2的直径d=55nm，针尖1与银纳米粒子2间距g=2nm，入射光角度θ=45°不变，镀银膜高度h由200 nm逐渐递增到300 nm。依据上述参数设定对本发明台阶形针尖-活性基底结构进行仿真并选择针尖与基底间隔中心处为场增强因子观测点，记录该点处的归一化电场强度和拉曼增强因子，电场仿真结果如图10（a）-图10（c）所示，为了更直观的描述镀银膜高度与电场强度E和拉曼增强因子EF的关系，给出了图11。从图10（a）-图10（c）、图11可以看出，随着镀膜长度的增加电场强度E和增强因子EF增大，拉曼增强效应不断增加，本发明台阶形针尖-活性基底结构最大场增强出现在镀银膜高度为300 nm时。
为了研究台阶形针尖-活性基底结构的银纳米粒子的直径对近场电场分布的影响，设定针尖1的台阶高度a=80nm，针尖1曲率半径r=5nm，镀银膜厚度t=25 nm，银膜高度h=300 nm，针尖1与银纳米粒子2间距g=2nm，入射光角度θ=45°不变，银纳米粒子2的直径d由15nm逐渐递增到105 nm。依据上述参数设定对本发明台阶形针尖-活性基底结构进行仿真并选择针尖与基底间隔中心处为场增强因子观测点，记录该点处的归一化电场强度和拉曼增强因子，电场仿真结果如图12（a）-图12（c）所示，为了更直观的描述银纳米粒子直径d与电场强度E和拉曼增强因子EF的关系，给出了图13。从图12（a）-图12（c）、图13可以看出，当银纳米粒子直径d=15 nm时，电场强度E= 30.7048 V/m，增强因子EF=8.89×105，随着银纳米粒子直径d的增大，电场强度E和增强因子EF增大，且增幅较大，本发明台阶形针尖-活性基底结构最大场增强出现在银纳米粒子的直径d为55 nm时，银纳米粒子直径d进一步增大时电场强度E和增强因子EF呈线性减少。
为了研究台阶形针尖-活性基底结构的针尖与银纳米粒子间距对近场电场分布的影响，设定针尖1的台阶高度a=80nm，针尖1曲率半径r=5nm，镀银膜厚度t=25nm，银膜高度h=300nm，银纳米粒子2的直径d=55nm，入射光角度θ=45°不变，针尖1与银纳米粒子2间距g由1nm逐渐递增到20nm。依据上述参数设定对本发明台阶形针尖-活性基底结构进行仿真并选择针尖与基底间隔中心处为场增强因子观测点，记录该点处的归一化电场强度和拉曼增强因子，电场仿真结果如图14（a）-图14（c）所示，为了更直观的描述针尖与银纳米粒子间距与电场强度E和拉曼增强因子EF的关系，给出了图15。从图14（a）-图14（c）、图15可以看出，电场强度值强烈的依赖于间隔变化，随着间隔的增大，电场强度呈指数衰减，本发明台阶形针尖-活性基底结构最大场增强出现在针尖1与银纳米粒子2间距g为1nm时，此时电场强度E为88.5446 V/m，拉曼增强因子EF为5.11×107，随着间隔g增大，电场强度急剧减少，当间隔g增到20 nm时，电场增强衰减到4个数量级，其耦合效应可以忽略，电场增强值和单个针尖的相同。
图16为本发明台阶形针尖-活性基底结构最大电场增强的三维效果图，即根据模型局域电场增强的计算结果，通过MATLAB软件绘制出的三维效果图，图中表明：最大电场增强E为88.5446 V/m，拉曼增强因子EF为5.11×107，最大增强的位置在针尖1与银纳米粒子2间隔中心处。也就是说，当大分子待测物位于此处，就很容易捕获拉曼光谱信号，从而进行物质的鉴别和成像。
Claims (4)
1.一种用于增强拉曼信号的台阶形针尖-活性基底结构，其特征在于，包括具有凹状台阶结构的等离激元探针和设置在衬底上表面的银纳米粒子活性基底，等离激元探针前部的台阶结构用于提高针尖的激发效率和增强因子，银纳米粒子活性基底用于增强拉曼信号并淬灭荧光；所述衬底由玻璃介质构成，所述等离激元探针前部的台阶结构的高度（a）为20-100 nm，等离激元探针的针尖曲率半径（r）为5-50 nm，所述等离激元探针镀有银膜，银膜厚度（t）为5-50 nm，银膜高度（h）为200-300 nm，所述银纳米粒子直径（d）为15-105 nm，所述等离激元探针的针尖和银纳米粒子活性基底的间距（g）为1-20 nm。
2.根据权利要求1所述的一种用于增强拉曼信号的台阶形针尖-活性基底结构，其特征在于，所述衬底的规格尺寸为1000nm×1000nm×150nm。
3.根据权利要求1所述的一种用于增强拉曼信号的台阶形针尖-活性基底结构，其特征在于，所述衬底的介电常数为1.5。
4.根据权利要求1所述的一种用于增强拉曼信号的台阶形针尖-活性基底结构，其特征在于，所述等离激元探针的针尖材料选用化学性质稳定的钨。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810208916.4A CN108426869B (zh) | 2018-03-14 | 2018-03-14 | 一种用于增强拉曼信号的台阶形针尖-活性基底结构 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810208916.4A CN108426869B (zh) | 2018-03-14 | 2018-03-14 | 一种用于增强拉曼信号的台阶形针尖-活性基底结构 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108426869A true CN108426869A (zh) | 2018-08-21 |
| CN108426869B CN108426869B (zh) | 2021-04-09 |
Family
ID=63158377
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810208916.4A Active CN108426869B (zh) | 2018-03-14 | 2018-03-14 | 一种用于增强拉曼信号的台阶形针尖-活性基底结构 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108426869B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112903659A (zh) * | 2021-02-05 | 2021-06-04 | 华南理工大学 | 一种通电消除拉曼光谱中荧光干扰的装置及方法 |
| CN119556464A (zh) * | 2025-01-14 | 2025-03-04 | 广东工业大学 | 一种径向偏振矢量光束紧聚集光场中近场增强针尖反向设计方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040174521A1 (en) * | 2003-03-07 | 2004-09-09 | Drachev Vladimir P. | Raman imaging and sensing apparatus employing nanoantennas |
| WO2008028521A1 (en) * | 2006-09-07 | 2008-03-13 | MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. | A probe, a raman spectrometer and a method of manufacturing a probe |
| CN102798735A (zh) * | 2012-08-14 | 2012-11-28 | 厦门大学 | 针尖增强暗场显微镜、电化学测试装置和调平系统 |
| CN103276355A (zh) * | 2013-05-20 | 2013-09-04 | 杭州电子科技大学 | 一种针尖增强拉曼测量用新型镀膜针尖的制备方法 |
| CN105891255A (zh) * | 2016-04-06 | 2016-08-24 | 清华大学 | 一种测量单个纳米颗粒对流换热系数和比热容的方法及系统 |
| CN106124478A (zh) * | 2016-08-18 | 2016-11-16 | 东南大学 | 拉锥光纤和微小圆球透镜的光纤拉曼增强探针及制作方法 |
-
2018
- 2018-03-14 CN CN201810208916.4A patent/CN108426869B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040174521A1 (en) * | 2003-03-07 | 2004-09-09 | Drachev Vladimir P. | Raman imaging and sensing apparatus employing nanoantennas |
| WO2008028521A1 (en) * | 2006-09-07 | 2008-03-13 | MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. | A probe, a raman spectrometer and a method of manufacturing a probe |
| CN102798735A (zh) * | 2012-08-14 | 2012-11-28 | 厦门大学 | 针尖增强暗场显微镜、电化学测试装置和调平系统 |
| CN103276355A (zh) * | 2013-05-20 | 2013-09-04 | 杭州电子科技大学 | 一种针尖增强拉曼测量用新型镀膜针尖的制备方法 |
| CN105891255A (zh) * | 2016-04-06 | 2016-08-24 | 清华大学 | 一种测量单个纳米颗粒对流换热系数和比热容的方法及系统 |
| CN106124478A (zh) * | 2016-08-18 | 2016-11-16 | 东南大学 | 拉锥光纤和微小圆球透镜的光纤拉曼增强探针及制作方法 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| A. L. DEMMING 等: "Plasmon resonances on metal tips: Understanding tip-enhanced Raman scattering", 《THE JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS》 * |
| LUIS A. PÉREZ 等: "CVD Graphene Transferred wfor TERS and SERS on a Single Triangular Nanoplateith Au Nanoparticles: An Ideal Platform", 《J. PHYS. CHEM. C》 * |
| NORIHHIKO HAYAZAWA ET AL.: "Near-field Raman scattering enhanced by a metallized tip", 《CHEMICAL PHYSICS LETTERS》 * |
| 路培 等: "针尖增强拉曼光谱应用于单分子研究的进展", 《化学通报》 * |
| 高思田 等: "大长径比台阶钨探针制备方法研究", 《计量学报》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112903659A (zh) * | 2021-02-05 | 2021-06-04 | 华南理工大学 | 一种通电消除拉曼光谱中荧光干扰的装置及方法 |
| CN119556464A (zh) * | 2025-01-14 | 2025-03-04 | 广东工业大学 | 一种径向偏振矢量光束紧聚集光场中近场增强针尖反向设计方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108426869B (zh) | 2021-04-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Shi et al. | Advances in tip-enhanced near-field Raman microscopy using nanoantennas | |
| Zhang et al. | A study on a hybrid SERS substrates based on arrayed gold nanoparticle/graphene/copper cone cavities fabricated by a conical tip indentation | |
| Zhang et al. | Single molecule tip-enhanced Raman spectroscopy with silver tips | |
| Lin et al. | Surface-enhanced Raman spectroscopy: substrate-related issues | |
| Baida et al. | Quantitative determination of the size dependence of surface plasmon resonance damping in single Ag@ SiO2 nanoparticles | |
| KR101448111B1 (ko) | 표면 증강 라만 분광용 기판 및 이의 제조방법 | |
| CN103451610B (zh) | 新型仿生表面增强拉曼光谱基底及其制备方法 | |
| Das et al. | Mesoporous Ag–TiO2 based nanocage like structure as sensitive and recyclable low-cost SERS substrate for biosensing applications | |
| Long et al. | Low-cost and high sensitivity glucose sandwich detection using a plasmonic nanodisk metasurface | |
| Liu et al. | Spatial Raman mapping investigation of SERS performance related to localized surface plasmons | |
| JP2010203973A (ja) | 表面増強ラマン散乱の測定方法 | |
| Eskandari et al. | A surface-enhanced Raman scattering (SERS) biosensor fabricated using the electrodeposition method for ultrasensitive detection of amino acid histidine | |
| CN113702286B (zh) | 一种基于表面增强效应的手性分子探测器件、探测装置及方法 | |
| Díaz-Núñez et al. | On the large near-field enhancement on nanocolumnar gold substrates | |
| Lin et al. | Electrochemical SERS at periodic metallic nanopyramid arrays | |
| CN108226137A (zh) | 一种柔性、透明的二硫化钼@银颗粒/三维金字塔结构pmma sers基底的制备方法及应用 | |
| CN103344624A (zh) | 一种溶液法制备表面增强拉曼散射基底的方法及应用 | |
| Cheng et al. | Hierarchically ordered microcrater array with plasmonic nanoparticle clusters for highly sensitive surface-enhanced Raman scattering | |
| Liu et al. | Large-scale highly ordered periodic Au nano-discs/graphene and graphene/Au nanoholes plasmonic substrates for surface-enhanced Raman scattering | |
| JP2015163845A (ja) | 表面増強ラマンスペクトル用基板 | |
| Dong et al. | Capillary-force-assisted self-assembly of gold nanoparticles into highly ordered plasmonic thin films for ultrasensitive SERS | |
| Hossain et al. | Surface-enhanced Raman scattering: facts and inline trends. | |
| CN108426869A (zh) | 一种用于增强拉曼信号的台阶形针尖-活性基底结构 | |
| Shi et al. | Collaborative interaction of gold nanopores and silver nanoparticles in regulating SERS performance | |
| CN108802005B (zh) | 基于粒子-波导耦合结构的拉曼散射增强基底及制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |