专利名称：用于制造设置有等离子激元波导的光子晶体器件的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于制造设置有等离子激元波导的光子晶体器件的方法，包括以下步骤制备介电材料的膜；以程序化方式将聚焦离子束施加在膜上，以便获得由根据预定晶格定位的通孔规则的平面布置组成的光子晶体，所述光子晶体还包括由晶格的在内部没有所述通孔的空间限制区域组成的谐振腔，所述谐振腔形成以便与至少一个电磁辐射波长谐振的尺寸；以及在所述谐振腔处提供等离子激元波导，其中提供等离子激元波导包括以下步骤a)从金属有机先驱气体开始，通过由聚焦电子束诱导的化学汽相沉积在谐振腔上生成突出结构；b)沉积贵金属层；以及c)借助于聚焦离子束有选择地去除沉积在突出结构外的贵金属。
背景技术：
发明人近来已制成混合等离子激元光子纳米器件(nanodevice)的相似类型， 该器件同样已在科技出版物(F. De Angelis, M. Patrini, G. Das, I. Maksymov, M. Galli, L. Businaro,L. C. Andreani 禾口E. Di Fabrizio,"Ahybrid ρlasmonic-photonic Nanodevice for Label-Free Detection of a Few Molecules，，，Nano Letters, 17 July 2008, online edition)中得到描述。描述的器件被构思成借助于Raman光谱检测远场构造中的一些分子。该器件的操作原理是将介电光子晶体腔的低浓度的特性与金属纳米波导的受限属性结合。该器件的操作原理基于的事实是，通过在可见区中用激光束照射腔，产生从腔朝纳米波导(nanoguide)的顶端的末端传播的表面等离子激元电磁场。该器件以这样的方式被设计成使得对于可与顶端的曲率半径(小于lOnm)相比较的空间区域，仅在等离子激元波导的末端周围获得入射激光的电场浓度。如此定位的电场变得对电激励紧邻的任何材料的分子非常有用。通过收集材料的分子/原子的重发射信号这样的方式，能实现具有可与等离子激元波导的曲率半径相比较的空间分辨率的光谱。能实现的光谱尤其是荧光光谱和Raman 光谱。然而，该器件可能的应用范围不限于光学光谱。例如，获得的场浓度还可用于实现具有比激光λ的波长(大约λ/100)低得多的空间分辨率的光学纳米光刻(optical nanolithography)，或者这样的场浓度可用于在非线性光学系统中激励第二和第三谐波辐射。另一应用可以是从靠近纳米波导的顶端的量子点(quantum dot)激励单个光子的发射。在前述出版物中描述的器件的制造预见通过用聚焦离子束(FIB)的侵蚀的光子晶体的生产。光子晶体由具有孔的三角形晶格的Si3N4的膜组成。腔为L3型，并且其由在晶体的区域的中心处并沿方向Γ-K的三个缺失孔组成。在第二步骤中，在腔的中心处，从(CH3)3Pt(CpCH3)的先驱气体开始利用由聚焦电子束诱导的化学汽相沉积(CVD)沉积钼纳米天线(nanoanterma)。在纳米天线于样本上的生成之后沉积金的薄膜，然后用聚焦离子束通过侵蚀从光子晶体(而不是从纳米天线)去除金的薄膜。在文章中描述的器件的纳米天线具有带有尖顶形顶端的杆形。纳米天线的几何形状在限定表面等离子激元模式(以下用SPP指示)的轮廓细节中起重要的作用。发明人已证实的是，SPP模式高度局部化在可与顶端的曲率半径相比较的区域中，以提供远场散射事件的有效耦合。在前述工作中，还表明在纳米天线为完全圆锥形的情况下可预见绝热的性状。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于制造设置有等离子激元波导的光子晶体器件的方法，该等离子激元波导具有圆锥形形状。该目的及其他目的通过在开始所限定的类型的方法达到，其中在等离子激元波导的制造的步骤a)中，控制诱导沉积的聚焦电子束，以便在维持电子束的位置恒定的情况下，从沉积在膜上的突出结构的第一基层开始直到突出结构的最终顶端层逐渐减小所述电子束的横截面。根据本发明的方法允许提供具有高度规则的轮廓的圆锥形波导，这允许获得基本绝热的性状以及因此的在天线的顶端处的电场的高的放大系数。特定的实施例形成内容被理解为当前说明书的集成的一部分的从属权利要求的目的。
参考附图，本发明另外的特性和优点将从以下完全作为非限制性示例给出的详细说明变得明显，其中图1表示光子晶体的布局；图2是设置有圆锥形等离子激元波导的光子晶体器件的透视图；以及图3是设置有图2的器件的原子力显微镜的悬臂的细节的透视图。
具体实施例方式现在将描述用于制造设置有等离子激元波导(plasmonic waveguide)的光子晶体器件的方法。根据本发明的这样的方法允许获得具有圆锥形波导的光子器件，类似图2和 3所表示的光子器件。整个地用附图标记1指示的器件包括由例如氮化硅的介电材料的膜2组成的衬底。膜2的厚度必须达到允许借助于聚焦离子束(FIB)精确地获得光子晶体的孔。例如， 这样的膜可具有大约IOOnm的厚度。在膜2上获得整个地用附图标记5指示的光子晶体。通常，光子晶体5由根据预置晶格定位的通孔6的规则的平面布置组成。在示出的示例中，如图1所清楚地示出的，其为三角形晶格；孔6具有大约IOOnm的直径，然而晶格的间距(pitch)为孔的直径的大约两倍。光子晶体5还包括谐振腔7，谐振腔7由晶格5的空间限制区域形成，在晶格5的空间限制区域内部没有通孔。谐振腔7形成以便与至少一个电磁辐射波长谐振的尺寸。在图示的示例中，腔7是由在晶格5的中心处并沿方向Γ-K的三个缺失孔(missing hole) 形成的L3型腔。在腔7的中心处制成具有圆锥形形状并相对于光子晶体5的平面大致垂直向外突出的等离子激元波导8。锥体的基部8a具有大约200nm的直径，然而顶端8b具有大约Inm 的直径。然而，波导8的长度为大约1 μ m。在波导8的整个表面上具有诸如金或银的贵金属薄膜(具有大约IOnm的厚度)。用于制造该器件的方法初始地预见制备衬底，以及因此的膜2。在施加聚焦离子束以获得光子晶体5之前，通过溅射用金属膜(具有大约IOnm的厚度)涂覆膜2。由于膜的材料为绝缘材料，所以该沉积用于避免否则将由随后的离子和电子轰击所引起的使膜2带 H1^ ο在制备膜2之后，以程序化方式施加聚焦离子束，以便获得包括谐振腔7的光子晶体5。其后，在谐振腔7处制成等离子激元波导8。等离子激元波导8的制造包括以下步骤a)从优选地钼基先驱气体的金属有机先驱气体开始，通过由聚焦电子束诱导的化学汽相沉积(CVD)在谐振腔7上生成突出结构；b)沉积贵金属层；以及c)借助于聚焦离子束有选择地去除沉积在突出结构外的贵金属。在步骤a)中，用于制造等离子激元波导的先驱气体例如是(CH3)3Pt(CpCH3)。在这样的步骤期间，控制诱导沉积的聚焦电子束，以便在维持电子束的位置恒定的情况下，从沉积在膜2上的突出结构的第一基层8a开始直到突出结构的最终顶端层8b逐渐减小电子束的横截面。这样，限定波导的圆锥形形状。由于通过电子束诱导的CVD制成波导允许为波导获得高度精确的轮廓，这是因为其通过简单地变更电子束的截面而基本上允许逐层控制波导的截面，所以其。尤其地，发明人已通过如下方式制成圆锥形波导以直径IOnm的缩小步距，连续蚀刻(用静止的束)具有递减直径的多个同心圆，例如具有从250nm至Inm的递减直径的30个圆。因此，电子束实现由预定轨迹，尤其是同心圆的轨迹，限定的蚀刻策略。在步骤b)中使用的用于提供等离子激元波导的贵金属可以是金或银，并通过溅射或蒸发而沉积。如此获得的薄膜具有大约IOnm的厚度。优选地，贵金属层为双金属的， 包括下面的银层和上面的金层。由于用该金涂层避免了底层银的氧化，所以这种措施提高波导的顶端上的电场浓度的效率。利用具有中心在波导上的冠状截面(crown section)并具有大于波导的基部的直径的内径的离子束进行去除贵金属的步骤C)。这样，能去除沉积在膜上的贵金属而不用接触在波导上出现的贵金属。通常地通过液体腐蚀(liquid attack)，去除在施加离子束之后可能植入在(在小于IOnm的深度处)器件的材料中的离子。如图3中所图示地，根据本发明的器件可被结合在原子力显微镜(AFM)的悬臂中。 在这样的图形中可见用C指示的悬臂的一部分，其中已借助于聚焦离子束形成压痕R。在压痕R内制成根据本发明的器件1。为了制成器件1，实际上需要局部地使悬臂C稀薄(通常具有大约1 μ m的厚度)，以便获得足够薄的厚度以用作器件1的膜。通过在悬臂上添加器件1，变得能够将原子力测量与通过能用器件实现的由分光镜进行的化学测量结合。因此， 同时与能用AFM获得的力谱(force spectroscopy)结合，通�？赡芑竦镁哂行∮贗Onm的空间分辨率的生物材料和/或固体材料的化学和地形映像(chemical and topographical mapping)。 当然，在不影响本发明的原理的情况下，本发明的实施例和细节在不为此而偏离在所附权利要求中限定的本发明的保护范围的情况下、可相对于完全作为示例且不用于限制性目的而描述并图示的实施例和细节被宽广地改变。
权利要求
1.一种用于制造设置有等离子激元波导(8)的光子晶体器件(1)的方法，所述方法包括以下步骤制备介电材料的膜⑵；以程序化方式将聚焦离子束施加在所述膜( 上，以便获得由根据预定晶格定位的通孔(6)的规则的平面布置组成的光子晶体(5)，所述光子晶体还包括由所述晶格的空间限制区域组成的谐振腔(7)，在所述晶格的空间限制区域内部没有所述通孔，所述谐振腔形成以便与至少一个电磁辐射波长谐振的尺寸；以及在所述谐振腔处提供等离子激元波导(8)，其中提供所述等离子激元波导包括以下步骤a)从金属有机先驱气体开始，通过由聚焦电子束诱导的化学汽相沉积在所述谐振腔 (7)上生成突出结构；b)沉积贵金属层；以及c)借助于聚焦离子束有选择地去除沉积在所述突出结构外的所述贵金属； 其特征在于在所述等离子激元波导的制造的步骤a)中，控制诱导所述沉积的所述聚焦电子束，以便在维持电子束的位置恒定的情况下，从沉积在所述膜上的所述突出结构的第一基层开始直到所述突出结构的最终顶端层逐渐减小所述电子束的横截面。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在施加所述聚焦离子束以获得所述光子晶体(5) 之前，借助于溅射用金属膜涂覆所述膜O)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中在所述等离子激元波导的制造的步骤b)中， 首先沉积下面的银层，并且然后沉积上面的金层。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中通过使原子力显微镜的悬臂(C)局部变窄来制成所述膜。
全文摘要
一种用于制造设置有等离子激元波导(8)的光子晶体器件(1)的方法包括以下步骤制备膜(2)；以程序化方式将聚焦离子束施加在膜(2)上，以便获得由根据预置晶格定位的通孔(6)的规则的平面布置组成的光子晶体(5)，并且还包括谐振腔(7)；以及通过由聚焦电子束诱导的化学汽相沉积在谐振腔处提供圆锥形等离子激元波导(8)。控制诱导沉积的聚焦电子束，以便在维持电子束的位置恒定的情况下，从突出结构的基部开始直到顶端逐渐减小电子束的横截面。
文档编号G01N21/65GK102378908SQ200980138108
公开日2012年3月14日 申请日期2009年9月22日 优先权日2008年9月23日
发明者C·利贝拉尔, E·M·迪法布里齐奥, F·德安格利斯, F·梅卡里尼, G·达斯, P·坎德洛罗 申请人:卡尔梅德有限公司
专业数控铣床产品供应商
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