专利名称：用于进行拉曼光谱学的基于纳米线的系统的制作方法
技术领域：
本发明实施例总地涉及用于进行表面增强拉曼光谱学的系统。
背景技术：
拉曼光谱学是一种应用于凝聚体物理和化学以研究分子体系中的振动模式、转动模式和其它低频模式的光谱技术。在拉曼光谱实验中，特定波长范围的单色光束穿过分子的样品，并且发出散射光的光谱。术语“光”并不旨在局限于波长位于电磁频谱的可见光部分内的电磁辐射，而是还包括波长在可见光部分之外的电磁辐射，例如电磁频谱的红外线和紫外线部分，且可以用于指代非量子和量子电磁辐射。从分子发出的波长的光谱被称为 “拉曼光谱”，发出的光被称为“拉曼散射光”。拉曼光谱可显示出分子的电子能级、振动能级以及转动能级。不同的分子产生不同的可像指纹一样被使用的拉曼光谱以识别分子甚至能确定分子的结构。由吸附在几纳米的结构化金属表面之上或之内的化合物(或离子)生成的拉曼散射光可比由位于溶液或气相中的相同化合物生成的拉曼散射光大IO3至IO6倍。分析化合物的方法被称为表面增强拉曼光谱学(SERS)。近些年，SERS已经成为研究分子结构和描述界面和薄膜系统的常规有效的手段，甚至可实现单分子探测。工程师、物理学家以及化学家继续探索用于进行SERS的系统和方法的改进。
图IA示出了根据本发明实施例所设计的第一表面增强拉曼光谱学(SERS)活性系统的等角图。图IB示出了根据本发明实施例所设计的第一 SERS活性系统的沿图IA中所示的线A-A截取的截面图。图2A示出了根据本发明实施例对锥形纳米线进行光泵浦。图2B示出了根据本发明实施例所操控的图2A中所示的锥形纳米线的示例性电子能带图。图3A-3C示出了根据本发明实施例对锥形纳米线的发光体进行光泵浦的截面图。图3D示出了与根据本发明实施例所操控的锥形纳米线的发光体相关的示例性电子能带图。图4示出了根据本发明实施例光控的SERS活性系统的两个锥形纳米线的截面图。图5示出了示例拉曼光谱。图6A示出了根据本发明实施例所设计的第二 SERS活性系统的等角图。图6B示出了根据本发明实施例所设计的第二 SERS系统的沿图6A中所示的线B-B 截取的截面图。图7A-7B分别示出了根据本发明实施例所设计的示例性pn结和p-i_n结锥形纳米线的截面图。
图8A-8B示出了根据本发明实施例所操控的pn结和p-i_n结锥形纳米线的电子能带图。图9A示出了根据本发明实施例所设计的包括量子阱的p-i-n结锥形纳米线的截面图。图9B示出了根据本发明实施例所设计的包括发光粒子的p-i-n结锥形纳米线的截面图。图10A-10B示出了根据本发明实施例所操控的并设计具有发光体的p-i-n结锥形纳米线的电子能带图。图11示出了根据本发明实施例可产生拉曼光谱的电控的SERS活性系统的两个锥形纳米线的截面图。图12A示出了根据本发明实施例所设计的示例性分析物传感器的分解等角图和图示。图12B示出了根据本发明实施例所设计的传感器的沿图12A中所示的线C-C截取的截面图。图13示出了根据本发明实施例所设计的第一分析物探测器的图示。图14示出了根据本发明实施例所设计的第二分析物探测器的图示。
具体实施例方式本发明实施例涉及用于进行表面增强拉曼光谱学的基于纳米线的系统。该系统包括布置在基板上的锥形纳米线阵列。锥形纳米线被设计具有增益，且SERS活性纳米颗粒布置于锥形纳米线的外表面上，在特定实施例中，SERS活性纳米颗粒布置在锥形纳米线的锥形末端或尖端附近。利用电子或光泵浦，纳米线发射拉曼激发光。锥形纳米线被设计为将利用纳米线所发射的大部分拉曼激发光引向纳米线的锥形末端，以与SERS活性纳米颗粒相互作用，并增强布置于SERS活性纳米颗粒上或其附近的分子的拉曼光谱。I.光控的SERS活性系统图IA示出了根据本发明实施例所设计的SERS活性系统100的等角图。系统100 包括基板102和布置在基板102的一个表面上的多个锥形纳米线104。如图IA的示例中所示出的，纳米线104被设计为远离基板102逐渐变细，且可自由分布。图IB示出了根据本发明实施例沿图IA中所示的线A-A截取的系统100的截面图。 在图IB的示例中，锥形纳米线可具有对称的倒锥形状，例如锥形纳米线106，或具有不对称的倒锥形状，例如锥形纳米线108。系统100还包括布置于纳米线的锥形末端或尖端附近的SERS活性纳米颗粒。在图IB中，纳米线108的锥形末端在放大部分112中被放大，放大部分112显示出布置于纳米线108的尖端附近的外表面上的多个SERS活性纳米颗粒110。 注意的是，本发明的实施例不限于纳米颗粒仅布置在纳米线的尖端上方。在其它实施例中， 纳米颗�？杉负醪贾迷谀擅紫叩恼霰砻嫔�。基板102可由介质材料形成，包括玻璃、Si02、Al203或诸如金属或半导体的其它任何适合的材料。锥形纳米线104可由当对SERS活性系统100进行光泵浦时能够使纳米线作为增益介质被操控的材料形成。例如，纳米线可由直接或间接半导体材料形成。直接半导体的特征是价带最大值和导带最小值出现在近似相同的波数。因此，导带中的电子与价带中的未占电子态重组，释放能量差，作为光子。相反，间接半导体的特征是价带最大值和导带最小值出现在不同的波数。通过首先经过动量变化、之后经过电子能量变化，导带最小值中的电子与价带最大值中的未占电子态重组。间接半导体和直接半导体可以为元素半导体和化合物半导体。间接元素半导体包括硅(Si)和锗(Ge)，化合物半导体包括III-V物质，其中罗马数字III和V表示位于元素周期表的IIIa和Va族中的元素。化合物半导体可以由诸如铝(Al)、镓(Ga)和铟(In)的 IIIa族元素与诸如氮(N)、磷(P)、砷(As)和锑(Sb)的Va族元素结合而形成。根据III和 V元素的相对值可进一步对化合物半导体进行划分。例如，二元半导体化合物包括GaAs、 InP, InAs和GaP ；三元化合物半导体包括GaAsyPhy，其中1从大于0到小于1之间变化；四元化合物半导体包括LxGahAsyPh，其中χ禾Π y各自从大于0到小于1之间变化。其它类型的适合化合物半导体包括II-VI物质，其中II和VI表示位于周期表的nb和VIa族中的元素。例如，CdSe, ZnSe, ZnS和ZnO为二元II-VI化合物半导体的示例。锥形纳米线可利用气-液-固(VLQ化学合成工艺形成。该方法通常包含在基板 102的一个表面上沉积诸如金或钛的催化剂材料的颗粒。将基板102放入室中并加热至一般在大约250°C至大约1000°C之间变化的温度。将包括用于形成纳米线的元素或化合物的前驱气体输入室中。催化剂材料的颗粒使得前驱气体至少部分分解为它们相应的元素，一些元素在催化剂材料的颗粒上或通过催化剂材料输运并沉积在底层表面上。随着该工艺继续进行，纳米线生长，同时催化剂颗粒维持在纳米线的尖端或末端上。纳米线也可通过物理气相沉积、通过表面原子迁移形成，或可通过具有或没有光刻定义的掩模图案的反应蚀刻技术而被回蚀。纳米线材料可选择为当利用适当的泵浦波长λ ρ的光对纳米线进行光泵浦时可发射具有拉曼激发波长λ'、且增强位于SERS活性纳米颗粒处或其附近的分子的拉曼光谱的拉曼激发光。图2Α示出了根据本发明实施例对锥形纳米线202进行光泵浦。在图2Α中， 利用具有泵浦波长λ ρ和对应的能量&的光照射锥形纳米线202
权利要求
1.一种用于进行表面增强拉曼光谱学的系统(100)，包括具有表面的基板(102)；布置在所述表面上的多个锥形纳米线(104)，每一个纳米线具有被引导离开所述表面的锥形末端；以及布置在每一个纳米线上的多个纳米颗粒(110)，其中当利用泵浦波长的光对每一个纳米线进行照射时，从所述纳米线的所述锥形末端发射拉曼激发光，以与所述纳米颗粒相互作用，并从靠近所述纳米颗粒的分子产生增强拉曼散射光。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述纳米线进一步包括当利用所述泵浦波长的光照射时发射拉曼激发光的一个以上的发光体(302、306、310)。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述发光体进一步包括当利用所述泵浦波长的光照射时发射所述拉曼激发光的量子阱、量子点、原子和分子中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述纳米线被设计为使得所述拉曼激发光朝着所述纳米线的所述锥形末端反射。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述纳米线进一步包括半导体。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述纳米颗粒进一步包括金、银、铜或另外适合的金属导体中的至少一种。
7.一种用于进行表面增强拉曼光谱学的系统(600)，包括布置在基板(60 上的第一电极层(604)；布置在所述第一电极层上的介质层(606)；布置在所述介质层上的第二电极层(608)；以及布置在所述第一电极层上且延伸穿过所述介质层和所述第二电极层的多个锥形纳米线(610)，其中对所述第一电极层和所述第二电极层施加适当的电压使得每一个纳米线从所述纳米线的所述锥形末端发射拉曼激发光，以与所述纳米颗粒相互作用，并从靠近所述纳米颗粒的分子产生增强拉曼散射光。
8.根据权利要求7所述的系统，进一步包括布置在每一个纳米线的所述锥形末端附近的多个纳米颗粒(616)，所述纳米颗粒由金、银、铜或产生所述增强拉曼散射光的另外适合的金属导体中的至少一种形成。
9.根据权利要求7所述的系统，进一步包括所述第二电极层的一部分(622)，用于覆盖每一个纳米线的所述锥形末端的至少一部分。
10.根据权利要求7所述的系统，其中所述纳米线进一步包括当利用所述泵浦波长的光照射时发射所述拉曼激发光的η型半导体层(704)和ρ型半导体层(706)。
11.根据权利要求7所述的系统，其中所述纳米线进一步包括夹在当利用所述泵浦波长的光照射时发射所述拉曼激发光的η型半导体层(71 和ρ型半导体层(714)之间的本征半导体层(710)。
12.根据权利要求9所述的系统，其中所述纳米线进一步包括嵌入所述本征半导体层中、当利用所述泵浦波长的光照射时发射所述拉曼激发光的一个以上的发光体(910、920)。
13.根据权利要求7所述的系统，其中所述第一电极层和所述第二电极每一个均进一步包括金、银、铜或另外适合的金属导体。
14.一种分析物传感器(1200)，包括根据上述权利要求中的任意一项所设计的用于进行表面增强拉曼光谱学的系统； 布置为与所述系统相邻且设计为部分反射从引入到所述系统的分析物发射的拉曼散射光的第一反射器(1206)；布置为相反于所述第一反射器与所述系统相邻且设计为反射所述拉曼散射光的第二反射器(1208)；以及设置为探测透过所述第一反射器的所述拉曼散射光的光电探测器(1210)，其中所述拉曼散射光对应于与所述分析物相关的拉曼光谱。
15.根据权利要求14所述的分析物传感器，进一步包括机械连接至所述第一反射器的第一调节器(1214)和机械连接至所述第二反射器的第二调节器(1216)，其中所述第一调节器能用于控制所述第一反射器的反射率，所述第二调节器能用于控制所述第二反射器的反射率。
全文摘要
本发明实施例涉及用于进行表面增强拉曼光谱学的基于纳米线的系统。在一个实施例中，该系统包括具有表面的基板(102)和布置在该表面上的多个锥形纳米线(104)。每一个纳米线具有被引导离开该表面的锥形末端。该系统还包括布置在每一个纳米线的锥形末端附近的多个纳米颗粒(110)。当利用泵浦波长的光对每一个纳米线进行照射时，从纳米线的锥形末端发射拉曼激发光，以与纳米颗粒相互作用，并从靠近纳米颗粒的分子产生增强拉曼散射光。
文档编号G01J3/44GK102472665SQ200980160699
公开日2012年5月23日 申请日期2009年7月30日 优先权日2009年7月30日
发明者小林信彦, 戴维·A·法塔勒, 李志勇, 李晶晶, 王世元, 郭辉培 申请人:惠普开发有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
