“纳米掩膜光刻“制造低成本红外天线阵列——助力等离激元增强生物振动光谱探测

表面等离激元光子学(Plasmonics)使现代光子技术产生了重大发展与变革,包括生物医药、能源采集、通信等。利用光子激发金属结构表面电子的集体振荡,即表面等离激元,在金属表面很小的范围内产生电磁增强,实现在纳米尺度上对光的操纵。在生物医学中,基于等离激元的生物纳米传感器可以克服传统生物传感器的局限,能够检测在医学上非常重要的蛋白质,灵敏地筛选他们的相互作用。一种有效的测量蛋白质结构组成及其相互作用的技术就是红外光谱技术,然而,传统的红外光谱的灵敏度受到很大的限制,需要比较多的分析物产生足够强的吸收信号。而利用等离激元共振纳米天线产生的近场光增强,可以增强光与生物分子的相互作用,从而提高了生物传感器的灵敏度。此外,这种近场相互作用可以通过改变金属阵列的组成和几何结构来控制,即使细微的改变纳米天线的结构和排列,也可以显著地改变表面增强红外光谱技术的性能。

为了加工精确剪裁的等离激元天线,需要高度可控并且灵活的纳米加工技术,例如电子束或离子束刻蚀,但是它们具有高成本、效率低的缺点。这促使了一些低成本工艺的发展,包括纳米压印、PEEL(相移光刻、蚀刻、电子束沉积和薄膜剥离技术的组合)、孔膜胶体光刻、纳米桥接,然而它们需要多个图案转移步骤,限制了分辨率,或者缺少在纳米尺度内精确控制阵列结构和形状的能力。

近日,美国波士顿大学的Hatice Altug课题组,提出了纳米掩膜光刻(Nanostencil  Lithography ,NSL)技术,用来制作高分辨率、高效率、低成本的等离激元天线。作者使用光刻、反应离子束刻蚀制造出了800μm×800μm、400nm厚的悬浮SiNx薄膜,并利用电子束曝光和反应离子束刻蚀,在SiNx薄膜表面加工出周期孔阵列结构,把它作为纳米掩膜板,固定在衬底上,直接沉积金,从而加工出与模板互补的图形。通过实验对比,作者发现纳米掩膜重复使用10次,几乎不改变掩膜的性能,很大程度上节约了加工成本。此外,NSL保留了传统光刻的灵活性,可以在传统的或聚合物衬底上加工各种各样的纳米天线,同时EBL加工的纳米掩膜具有很高的精度。

然而,掩膜和衬底间隔导致了金扩散,产生5-20nm大小的金纳米颗粒团簇。作者采用了干法刻蚀和湿法刻蚀两种后处理工艺,发现干法刻蚀获得了比较光滑的等离激元天线阵列。

最后,作者利用NSL加工的低成本红外纳米天线检测免疫学上非常重要的小尺寸单层蛋白质,并利用等离激元增强生物振动光谱进行抗体分析,发现其可以检测到3nm厚的单层A/G蛋白质以及5nm厚的抗体IgG,定量计算表明纳米天线使信号增强了10300倍。实验测量了3nm厚单层A/G蛋白质吸附到衬底,以及5nm抗体IgG固定到A/G蛋白质前后的金纳米天线衬底反射谱,发现等离激元共振和蛋白质吸收带的重叠导致了反射谱的下降,下降的强度直接和蛋白质吸收信号的强度有关。在波数为1660cm-1和1540cm-1处,出现了明显的吸收峰,此时,NSL加工的天线阵列吸收峰值大约是干法刻蚀处理过的天线阵列的3倍,与理论计算得到的NSL加工的天线阵列(具有金纳米颗粒团簇)的有效近场增强面积是干法刻蚀处理后的天线阵列(不具有金纳米颗粒团簇)的3倍相符。

纳米掩膜光刻(NSL)技术的提出,解决了传统加工工艺步骤多成本高的缺点,提供了一种单步高效加工低成本高分辨率,同时具有高灵敏度的生物光谱衬底的方法,增强了生物光谱技术在生物医学中的应用,有望在未来应用于大规模制造生物光子器件。上述成果发表在Adv. Optical Mater. 2013,1,798-803

方 哲宇 About 方 哲宇

北京大学物理学院凝聚态研究所“百人计划”研究员;主要研究表面等离激元在纳米尺度的聚焦调制、增强波导、及耦合光电探测,并利用近场光学、暗场光学显微等实验手段对其进行表征。更多信息请访问:http://www.phy.pku.edu.cn/~zhyfang/index.html