本發(fā)明屬于金屬表面圖形化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于表面等離子體共振的金屬薄膜表面色散調(diào)制方法。

背景技術(shù)：
表面等離子體波（SurfacePlasmonWave，SPW）是一種沿金屬和介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ谋砻骐姶挪?，其振幅隨與分界面相垂直的深度的增大而呈指數(shù)形式衰減，根據(jù)Maxwell方程組和相應(yīng)邊界條件，可以得到SPW的色散關(guān)系：（公式1）其中為表面等離子體波的波矢，、分別為角頻率和光速，、分別為金屬和介質(zhì)的介電常數(shù)。從色散關(guān)系可以看到SPW的性質(zhì)與入射光波、金屬介電常數(shù)和介質(zhì)介電常數(shù)密切相關(guān)。當(dāng)入射光波沿金屬和介質(zhì)界面分量的波矢與表面等離子體波相匹配時(shí)，光波與SPW發(fā)生共振耦合，稱之為表面等離子體共振（SurfacePlasmonResonance，SPR）效應(yīng)。體現(xiàn)在反射光譜上則為在特定波長和入射角處出現(xiàn)一個(gè)吸收峰，即共振峰。這一共振峰峰位對(duì)金屬表面介質(zhì)折射率的改變非常敏感，可廣泛應(yīng)用于包括化學(xué)量測量、物理量測量和生化檢測等眾多領(lǐng)域。SPR技術(shù)對(duì)芯片表面的物質(zhì)濃度變化極為敏感，因此可用于如氫氣濃度、酒精度、NH3濃度等多種溶液濃度的檢測；SPR技術(shù)也可用于測量芯片表面的介質(zhì)層厚度、折射率及被測樣品折射率等物理量，對(duì)SPR芯片修飾后還可以測量溫度、濕度等物理量；SPR技術(shù)最重要的應(yīng)用領(lǐng)域是生化過程檢測，如配體-受體相互作用檢測、抗體-抗原反應(yīng)檢測以及藥物篩選和鑒定等。與傳統(tǒng)分析方法相比，SPR技術(shù)具有靈敏度高、應(yīng)用范圍廣、無需標(biāo)記、對(duì)被測物體無損害、可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控等眾多優(yōu)點(diǎn)，受到相關(guān)企業(yè)及研究人員的關(guān)注，在美、英、德等發(fā)達(dá)國家都進(jìn)行了大量研究，國內(nèi)研究單位也越來越多地關(guān)注該技術(shù)。而隨著該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，對(duì)SPR設(shè)備的靈敏度、分辨率等具體要求以及靈敏波段可調(diào)性的要求也越來越高，從材料構(gòu)成及制備工藝上提升這些方面的性能是SPR器件革新的主流方向。在通常的表面等離子體共振研究中，亞波長表面微納結(jié)構(gòu)被廣泛用于設(shè)計(jì)制造局域的表面色散特性，通過對(duì)金屬膜色散特性的調(diào)制，在平板金屬膜的色散曲線的基礎(chǔ)上引入可控制的能帶結(jié)構(gòu)，從而克服了由電磁波衍射而引起的器件尺寸限制。這種方法稱為表面色散調(diào)控（Surfacedispersionengineering,SDE）。然而，一些現(xiàn)代納米結(jié)構(gòu)制造工藝，例如聚焦離子束刻蝕、電子束曝光和納米壓印等，不僅其成本較高，而且由于制造誤差和金屬膜的本征特性帶來的表面粗糙度，會(huì)引入額外的散射損耗。盡管可以采用諸如模板剝離、表面變形的方法等降低平整金屬膜表面粗糙度的影響，但是依然不可避免地給金屬圖形帶來的散射損耗和誤差。而本發(fā)明所述方法，正是解決了以上問題的一種不需要圖形化工藝，只需要通過調(diào)節(jié)金屬合金薄膜的組分配比實(shí)現(xiàn)調(diào)制平整金屬膜色散特性的新方法。由于表面等離子體波的波矢較光波大而不能直接激發(fā)，因此需要提高光波波矢，一般采用棱鏡耦合的方法，如Kretschmann耦合（圖1），形成棱鏡-金屬-介質(zhì)的結(jié)構(gòu)。當(dāng)P偏振光以一定入射角入射且滿足共振條件時(shí)，才能在金屬和介質(zhì)表面產(chǎn)生表面等離子體共振。棱鏡中光波波矢沿金屬-介質(zhì)界面方向的分量為（公式2）其中n為棱鏡的折射率，為光波入射角。從公式1已知表面等離子體波波矢，當(dāng)光波波矢在表面等離子體傳播方向的分量與表面等離子體波波矢相等時(shí)，產(chǎn)生表面等離子體共振，即（公式3）此時(shí)入射角滿足一定條件（公式4）由于棱鏡的折射率n和介質(zhì)介電常數(shù)（本發(fā)明中為空氣）是已知的，因此表面等離子體共振的發(fā)生條件由金屬膜的介電常數(shù)決定，材料的色散使的值與波長有關(guān)，即一定的波長對(duì)應(yīng)相應(yīng)的共振角度，反映在反射譜上為出現(xiàn)一個(gè)反射波谷。通過改變材料的本征特性可以調(diào)整其介電常數(shù)，從而對(duì)表面等離子體共振進(jìn)行調(diào)制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的表面色散調(diào)控中采用的方法即金屬表面圖形化帶來的散射損失這一不足，提供一種能夠自由改變金屬表面色散的金屬薄膜表面色散調(diào)制方法。本發(fā)明提供的金屬薄膜表面色散調(diào)制方法，采用制備合金薄膜技術(shù)，在保證金屬表面粗糙度影響足夠低的情況下，通過改變磁控濺射雙靶共濺射的靶電流來調(diào)整合金配比，獲得具有不同介電常數(shù)的合金薄膜，從而使得金屬表面色散自由可控。具體步驟如下：（1）清洗襯底，選擇合適的襯底材料，并對(duì)襯底材料進(jìn)行清洗、干燥；（2）采用磁控濺射法制備合金薄膜，將經(jīng)清洗的襯底材料放入磁控濺射儀中，使用金銀雙靶共濺射，通過改變靶電流對(duì)合金薄膜組分質(zhì)量配比進(jìn)行調(diào)制，獲得具有不同介電常數(shù)的合金薄膜，合金薄膜厚度為30~80nm；（3）將制備出的合金薄膜與三棱鏡組合，置于橢偏儀光路中，通過改變?nèi)肷涔獠ㄩL及入射角測量薄膜的反射譜，觀察到合金薄膜表面等離子體共振峰位被合金組分調(diào)制。本發(fā)明中，合金薄膜的構(gòu)成金屬為金和銀。本發(fā)明中，磁控濺射的靶電流的變化范圍是0-0.12A，優(yōu)選0.01-0.12A。本發(fā)明中，合金薄膜的組分的變化范圍是：金：0-100%，銀：100-0%；優(yōu)選金：5-95%，銀：95-5%。本發(fā)明中，透明襯底材料為石英、玻璃等。本發(fā)明在橢圓偏振儀測量的基礎(chǔ)上，合金薄膜表面等離子體共振峰位的范圍是460-590nm。本發(fā)明利用不同組分配比的合金薄膜介電常數(shù)的不同導(dǎo)致表面等離子體共振峰位隨合金成分變化這一特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了金屬薄膜的色散特性的自由調(diào)節(jié)，是一種新型的非圖形加工方法的表面色散調(diào)控的技術(shù)。合金薄膜的制備使用磁控濺射雙靶共濺射的方法，可靈活應(yīng)用于各類光學(xué)器件襯底，具有很強(qiáng)的兼容性，成本低且較易獲得。該方法可避免現(xiàn)行以金屬薄膜圖形化為主要方法的表面色散調(diào)控所帶來的散射損耗，加工成本高，難度高等缺點(diǎn)，提高基于表面等離子體共振器件的靈敏度。本發(fā)明與傳統(tǒng)的表面色散工程金屬薄膜圖形化方法相比較，其主要的優(yōu)點(diǎn)是合金薄膜的制備較微納結(jié)構(gòu)的獲得成本低且容易，排除了金屬表面圖形化帶來的散射損失，僅需改變合金配比就可方便地調(diào)整其介電常數(shù)，使表面等離子體共振峰位自由可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬薄膜表面色散的調(diào)制。附圖說明圖1為放入橢偏儀光路中的實(shí)驗(yàn)裝置圖，入射光從棱鏡一條直角邊入射，從另一直角邊出射。圖2（a）（b）（c）（d）（e）（f）分別為金靶電流0.025A銀靶電流0.08A、金靶電流0.06A銀靶電流0.06A、金靶電流0.075A銀靶電流0.06A制備得到的金銀合金薄膜EDS成分譜圖及反射色散圖。圖3為不同組分合金薄膜在44-46度入射角下的反射波谷位置與合金中金含量的關(guān)系。圖4為金屬薄膜表面色散曲線。具體實(shí)施方式實(shí)施例1選擇石英作為襯底材料，對(duì)襯底進(jìn)行超聲清洗，超聲溶液分別為濃硫酸、丙酮、乙醇和去離子水，超聲時(shí)間為各十五分鐘，清洗后放入真空干燥箱干燥。將清洗干凈的襯底放置于磁控濺射儀中，雙靶共濺射的雙靶分別為金靶和銀靶，濺射時(shí)間為200s。設(shè)定金靶電流為0.025A，銀靶電流為0.08A，進(jìn)行濺射鍍膜。對(duì)合金薄膜進(jìn)行能量色散X射線光譜（EDX）測試，得到薄膜成分信息，金銀成分百分比為Au：Ag=34%：66%（如圖2（a））。然后將合金薄膜與三棱鏡組合（如圖1）置于橢偏儀光路中，通過改變?nèi)肷涔獠ㄩL及入射角測量薄膜的反射譜，觀察到合金薄膜表面等離子體共振峰位被合金組分調(diào)制（如圖2（b））。實(shí)施例2選擇石英作為襯底材料，對(duì)襯底進(jìn)行超聲清洗，超聲溶液分別為濃硫酸、丙酮、乙醇和去離子水，超聲時(shí)間為各十五分鐘，清洗后放入真空干燥箱干燥。將清洗干凈的襯底放置于磁控濺射儀中，雙靶共濺射的雙靶分別為金靶和銀靶，濺射時(shí)間為200s。設(shè)定金靶電流為0.06A，銀靶電流為0.06A，進(jìn)行濺射鍍膜。對(duì)合金薄膜進(jìn)行能量色散X射線光譜（EDX）測試，得到薄膜成分信息，金銀成分百分比為Au：Ag=55%：45%（如圖2（c））。然后將合金薄膜與三棱鏡組合置于橢偏儀光路中，通過改變?nèi)肷涔獠ㄩL及入射角測量薄膜的反射譜，觀察到合金薄膜表面等離子體共振峰位被合金組分調(diào)制（如圖2（d））。實(shí)施例3選擇石英作為襯底材料，對(duì)襯底進(jìn)行超聲清洗，超聲溶液分別為濃硫酸、丙酮、乙醇和去離子水，超聲時(shí)間為各十五分鐘，清洗后放入真空干燥箱干燥。將清洗干凈的襯底放置于磁控濺射儀中，雙靶共濺射的雙靶分別為金靶和銀靶，濺射時(shí)間為200s。設(shè)定金靶電流為0.075A，銀靶電流為0.06A，進(jìn)行濺射鍍膜。對(duì)合金薄膜進(jìn)行能量色散X射線光譜（EDX）測試，得到薄膜成分信息，金銀成分百分比為Au：Ag=75%：25%（如圖2（e））。然后將合金薄膜與三棱鏡組合置于橢偏儀光路中，通過改變?nèi)肷涔獠ㄩL及入射角測量薄膜的反射譜，觀察到合金薄膜表面等離子體共振峰位被合金組分調(diào)制（如圖2（f））。為了進(jìn)一步證實(shí)合金薄膜對(duì)表面等離子體共振峰位的調(diào)制作用，我們將不同組分合金薄膜在44-46度入射角下的反射波谷位置（即圖2（b）（d）（f）中深藍(lán)色位置）以合金中金含量作圖（如圖3），可以看出其共振峰位隨著金含量的增加而增加，且線性度較好，因此可以通過改變合金中金的含量來自由調(diào)制金屬薄膜表面等離子體共振的峰位。根據(jù)公式1：繪制金屬薄膜表面色散曲線，將實(shí)驗(yàn)所得到的表面等離子體波波矢與光波波矢作圖（如圖4），色散曲線隨金含量增加而逐漸右旋，且與含量呈正相關(guān)，從而驗(yàn)證了改變合金薄膜組分對(duì)金屬薄膜表面色散的調(diào)制作用。