一种金属膜及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种金属膜，由能够产生表面等离子谐振的金属材料制成；所述金属膜包括：上表面，所述上表面由中央缺陷和多个上表面周期结构组成，下表面，所述下表面包括中央平台和多个下表面周期结构，所述上表面和所述下表面之间的最大厚度为５０～１５０ｎｍ。通过将本发明专利技术的金属膜制备在透明基片上作用于入射光场，或制备在单色光源的发光面上形成有源器件，入射光通过金属膜的上下表面的结构，可以得到一个空间局域的纳米尺度的光源，光斑尺寸超过衍射极限，光场强度大大高于入射光场强度，光场分布形成发散角小、旁瓣弱的纳米光柱，成为近场纳米光束。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及近场光学、纳米光学
，特别是涉及一种金属 膜及其制造方法。
技术介绍
获取纳米尺度的光源是近场光学成像、近场探测与操作、近场光 谱、纳米光刻以及近场光存储等基于近场光学原理的仪器、系统中的 关键技术之一。近十年来具有纳米孔径的镀金属膜光纤探针已被广泛使用，但是，光纤探针的通光效率很低，通常为1(T4 10-6,并且易受 污染和损坏。为了克服这些问题提出了虛拟光探针的概念，是通过隐 失场干涉和带小孔的掩模产生约東光场，作为近场光源。这种光源避 免了材料型探针易碎易污染的问题，其通光效率比光纤探针高102 ~ 104倍。但是其光场强度仍然不能满足实际使用的要求，并且在约東 光场的主峰周围存在高阶模式(旁瓣)，其强度在主峰强度的50%以 上，对主峰的工作造成了很大影响。为了改善光束特性，在隐失场干 涉的介质表面制备等离子晶体结构，通过合理选择等离子晶体的几何 参数，可有效增强主峰的光场强度，抑制旁瓣。但是在已有的方案中， 表面等离子体波通常由以表面等离子谐振角入射的光東所激发，对于 入射角度的要求较严格，并且不便与有源器件直接集成。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能产生高强度、旁瓣低的纳米光束、并 且可以应用于任意入射角度的亚波长尺度金属膜结构。特别是提供一 种金属膜及其制造方法。为达到上述目的， 一方面，本专利技术的技术方案提供一种金属膜， 所述金属膜由能够产生表面等离子谐振的金属材料制成，所述金属膜层包括上表面，所述上表面由位于所述上表面中央的中央缺陷和以 所述中央缺陷为中心周期性排列的由第一凹槽和第一凸起组成的多 个上表面周期结构组成，所述中央缺陷和上表面周期结构之间包括第二凹槽；下表面，所述下表面由位于所述下表面中央的平台状中央平台和以所述中央平台为中心周期性排列的由第三凹槽和第二凸起组 成的多个下表面周期结构组成，所述上表面和所述下表面之间的最大厚度为50 150nm。其中，所述金属材料为金或银。其中，所述第一凹槽与第一凸起组成的上表面周期结构的宽度a为所述金属材料对应的表面等离子波长义SP的一半，第一凹槽深度为10~30nm;所述中央缺陷的长度为0.5a的奇数倍，所述中央缺陷的纵剖面轮廓为矩形、正弦形、三角形、梯形、半圆形、半椭圆、双曲线、抛物线中的一种。其中，所述第二凹槽的深度和宽度均大于所述第一凹槽。其中，所述第三凹槽和第二凸起组成的下表面周期结构的宽度为ASP，第三凹槽的深度为10 50nrn;所述中央平台的长度为1.5ASP。其中，所述金属膜上、下表面的俯视面形状为阵列结构或轴对称 结构；所述金属膜上、下表面的纵剖面形状为矩形或正弦形。 其中，所述阵列结构具体为平行槽结构或二维点阵结构。 其中，所述轴对称结构具体为同心圆环结构或同心方框结构。 另一方面，本专利技术的技术方案提供一种金属膜的制造方法，包括 以下步骤在透明基片或单色光源的发光面上制备一层介质膜层；在 所述介质膜表面涂上一层光刻胶，通过纳米加工方法在所述光刻胶表 面加工出下表面结构，所述光刻胶显影后，用CF4将光刻胶的图案干 刻到所述介质膜层上，在所述介质膜层上利用蒸镀或溅射方法加工出 金属膜，所述金属膜的膜厚与所述介质膜上的结构的深度相同，然后 用丙酮去掉光刻胶，完成金属膜下表面结构的制备；在制备出下表面结构的上述金属膜表面镀上一层与上述金属材料相同的金属薄膜，通 过所述纳米加工方法制作出上表面结构，得到双面亚波长结构金属 膜。 —其中，所述纳米加工方法包括以下方法的一种或几种电子束刻 蚀、聚焦离子東刻蚀、化学刻蚀、光刻写。上述技术方案仅是本专利技术的一个优选技术方案，具有如下优点通过将本专利技术的金属膜制备在透明基片作用于入射光场，或制备在单 色光源发光面上形成有源器件，入射光通过金属'膜的上下表面的结 构，可以得到一个光场强度大大高于入射光场强度的光源，光斑尺寸 达到纳米级，超过了衍射极限，在该纳米光東的近场范围内(50 600nm),可以实现近场成像、近场光学数据存储、近场光谱激 发与探测，以及近场光刻等操作。同时减小了旁瓣杂光的干扰，并且 入射光可以以任意角度入射。附图说明图1为双面亚波长结构金属膜激发和控制表面等离子体波的原 理示意图；图2为本实施例 一的双面正弦结构金属膜的纵剖面示意图；图3为本实施例 一的膜层表面z=0处磁场强度沿y方向变化曲线图；图4a为本实施例二的制作在垂直腔表面发射半导体激光器发光 面上的双面矩形结构金属膜的纵剖面示意图；图4b为本实施例二的制作在垂直腔表面发射半导体激光器发光 面上的双面矩形结构金属膜的俯视面示意图；图5a为本实施例二的膜层表面上方不同距离处磁场强度沿y方 向变化曲线图；图5b为本实施例二的膜层表面上方不同距离处磁场强度沿x方 向变化曲线图；图6为本实施例三的制作在激光二极管发光面上的双面正弦-矩 形结构金属膜的纵剖面示意图。图7为本实施例三的膜层表面上方不同距离处磁场强度沿y方向变化曲线图。 .具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细 描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。本专利技术设计了一种能够产生近场纳米光束的.双面亚波长结构金 属膜，在一层金属膜的上下表面上制作具有不同几何参数的亚波长结 构，其中金属膜的下表面由下表面周期结构和中央平台组成，用于激发在金属膜表面相向传播的表面等离子体波；金属膜的上表面结构为等离子晶体谐振腔结构，用于增强干涉场中的零阶模式，抑制高阶模 式，从而形成空间局域的纳米尺度近场光源。本专利技术所述的金属膜厚度为50 150nm,金属材料为金或银等能 够产生表面等离子谐振的金属材料。金属材料和入射光波长一旦选定，其与空气的交界面上的表面等离子波的波长XsP也就固定下来，该波长可以通过下面的公式计算得到，公式中金属的介电系数可通过 手册查询。本专利技术所述的金属膜的上表面结构为表面等离子晶体谐振腔结 构，由位于上表面中央的中央缺陷和多个以所述中央缺陷为中心周期 性排列的由第一凹槽和第一凸起组成的上表面周期结构组成。位于 上、下表面中央的结构，既可以是凸起，也可以是凹陷。下表面中央 的结构通常是平台状的，因此用"中央平台"来表述，包括"凸起" 和"凹陷"；而上表面中央的结构，不仅可以是平台状的，还可以是 正弦、三角形、梯形、半圆形、半椭圆、双曲线、'抛物线等形状，因 此用"中央缺陷"来表述，"缺陷"的意思是指"破坏了周期性的结 构"。上表面周期结构即为表面等离子晶体，其俯视面形状可以是阵列结构，如平行槽、二维点阵等，也可以为轴对称结构，如同心圆环 或同心方框等，可以与下表面结构的形状相同，也可以不同；中央缺 陷的俯视面形状为圆形、方形或菱形中的一种。表面等离子晶体的纵 剖面轮廓形状为矩形或正弦中的一种，周期(即第一凹槽与第一凸起 组成的上表面周期结构的宽度a)为表面等离子波长的一半，第一凹 槽深度为10 30nm;中央缺陷的纵剖面轮廓为矩形、正弦、三角形、 梯形、半圆形、半椭圆、双曲线或抛物线中的一种，长度为表面等离 子晶体周期的一半的奇数倍，即0.5a、 1.5a、 2.5a......。中央缺陷周围相邻槽(即第二凹槽)的深度大于表面等离子晶体的第一凹槽的深度， 其宽度大于表面等离子晶体第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属膜，其特征在于，所述金属膜由能够产生表面等离子谐振的金属材料制成，包括：上表面，所述上表面由位于所述上表面中央的中央缺陷和以所述中央缺陷为中心周期性排列的由第一凹槽和第一凸起组成的多个上表面周期结构组成，所述中央缺陷和上表面 周期结构之间包括第二凹槽；下表面，所述下表面由位于所述下表面中央的平台状中央平台和以所述中央平台为中心周期性排列的由第三凹槽和第二凸起组成的多个下表面周期结构组成，所述上表面和所述下表面之间的最大厚度为５０～１５０ｎｍ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王佳，许吉英，王庆艳，郝凤欢，张书练，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]