專利名稱：用于表面增強(qiáng)拉曼光譜術(shù)的光放大裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及用于表面增強(qiáng)拉曼光譜術(shù)的光放大裝置。
背景技術(shù)：
拉曼光譜術(shù)用于研究當(dāng)光子與分子相互作用從而導(dǎo)致散射的光子的能量轉(zhuǎn)移時分子能態(tài)之間的躍遷。分子的拉曼散射可看作兩個過程。位于特定能態(tài)的分子首先被入射光子激發(fā)到另一個(虛或?qū)?能態(tài)，其通常處于光頻域內(nèi)。然后被激發(fā)的分子作為受環(huán)境影響的偶極子輻射源輻射，與激發(fā)光子相比，偶極子輻射源以可能相對較低的頻率(例如斯托克斯散射)或相對較高的頻率(即反斯托克斯散射)位于該環(huán)境中。不同分子或物質(zhì)的拉曼光譜具有可用于識別物種的特征峰。同樣，拉曼光譜術(shù)是一種用于各種化學(xué)或生物檢測應(yīng)用的有用的技術(shù)。然而，固有的拉曼散射過程效率非常低，而粗糙的金屬表面、各種類型的納米天線以及波導(dǎo)結(jié)構(gòu)已經(jīng)用于增強(qiáng)拉曼散射過程(即上述的激發(fā)和/或輻射過程)。 該領(lǐng)域通常以表面增強(qiáng)拉曼光譜術(shù)(SERS)為人所知。


參照下面的詳細(xì)描述和附圖，本發(fā)明實施例的特征和優(yōu)點將變得明顯，其中相同的附圖標(biāo)記對應(yīng)于相似的部件(盡管可能不完全相同)。為了簡短起見，具有先前描述的功能的附圖標(biāo)記或特征可能也可能不結(jié)合有它們出現(xiàn)的其它附圖被描述。圖1是本發(fā)明的光放大裝置的實施例的半示意透視圖；圖2是本發(fā)明的光放大裝置的另一實施例的半示意透視圖；圖3是本發(fā)明的光放大裝置的又一實施例的半示意透視圖；圖4是包括這里所公開的光放大裝置的系統(tǒng)的實施例的示意圖；圖5A和5C是光放大裝置的實施例在用于形成懸浮裝置的濕蝕刻工藝之前和之后的俯視圖；圖5B是在濕蝕刻之前光放大裝置的實施例的沿圖5A的線5B-5B截取的截面圖； 以及圖5D是在濕蝕刻之后光放大裝置的實施例(即懸浮光放大裝置)的沿圖5C的線 5D-5D截取的截面圖。
具體實施例方式這里所公開的裝置的實施例有利地包括為表面增強(qiáng)拉曼光譜產(chǎn)生較大局部電場的增益區(qū)。更具體地，介電層(柵孔或開口形成于其中)使入射到裝置上的光散射，并在其中傳播散射光，該增益區(qū)將所述光放大，從而增強(qiáng)激發(fā)、局部電場以及得到的拉曼信號?，F(xiàn)在參照圖1，描述一實施例的光放大裝置10。裝置10包括之前提及的介電層12 和增益區(qū)14。在本實施例中，介電層12(或引導(dǎo)層)具有兩個相對的表面S” S2，其中的一 AS1具有至少一個形成于其中的開口 16和具有至少一個設(shè)置在其上的納米天線18，其中的另一個&與基板20接觸。如圖1中所示，介電層12和增益區(qū)14均設(shè)置在基板20上。應(yīng)當(dāng)理解的是，基板 20選擇為折射率小于介電層12的折射率。此外，應(yīng)當(dāng)理解的是，基板20選擇為使得其不吸收裝置10的激發(fā)或輻射頻率。適合的基板材料的非限制性示例包括絕緣體(例如玻璃、石英、陶瓷、氧化鋁、硅石、氮化硅等)、聚合材料(例如聚碳酸酯、聚酰胺、丙烯酸樹脂等)或半導(dǎo)體(例如硅、InP、GaAs、InAs AaxAlhAs (其中 0 < χ < 1)、InfahASyPh (其中 0 < χ <l,0<y< 1))、絕緣體上硅(SOI)基板、氧化物上氮化物基板(例如氧化物上氮化硅) 或設(shè)置于硅或SOI基板上的III-V族半導(dǎo)體。如在一些早先的示例中所示的，基板20可包括多層。多層基板的其它示例包括AWaAs上GaAs或AlO2上GaAs。在圖1中所示的實施例中，介電層12的一部分12’直接生長或沉積在基板20上。 可使用任意適合的介質(zhì)材料，所述介質(zhì)材料選擇為具有比與其相鄰的材料(例如基板20) 和/或環(huán)境(例如空氣)的折射率高的折射率。適合的介質(zhì)材料的非限制性示例包括III-V 族半導(dǎo)體，聚合材料或絕緣體。III-V族半導(dǎo)體介質(zhì)材料可通過外延生長來形成；聚合材料可通過旋轉(zhuǎn)涂覆或其它類似沉積技術(shù)來形成；絕緣體可通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法 (PECVD)、低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)或其它類似沉積技術(shù)來形成。在本實施例中，構(gòu)成增益區(qū)14的材料然后生長或沉積在介電層12的部分12'上。 構(gòu)成增益區(qū)14的材料可為呈現(xiàn)出期望的放大特性的任意材料。在一個示例中，增益區(qū)14 材料選自III-V族半導(dǎo)體材料(例如銦鎵砷化物)或摻鉺玻璃。增益區(qū)14可包括量子點(例如成簇的或成錐體的)或量子阱。III-V族半導(dǎo)體材料的量子點可外延地生長，或可單獨合成并旋涂在采用抗蝕型材料(其非限制性示例包括聚酰亞胺、旋涂玻璃、光致抗蝕劑等)的部分12’上。量子點使注入的電子和空穴在本地復(fù)合，從而為裝置10提供增益。在實施例中，量子點具有從大約IOnm到大約20nm范圍內(nèi)的平均寬度，平均高度高達(dá)大約3nm。量子阱可通過使一種材料(例如砷化鎵)夾在兩層具有較寬帶隙的材料(例如砷化鋁、砷化銦、銦鎵砷化物等)之間而形成在半導(dǎo)體中。應(yīng)當(dāng)理解的是，裝置10可包括一個以上的量子阱。通常，該阱材料的帶隙低于周圍材料的帶隙。在一個實施例中，增益區(qū)14包括單阱層(其中基板和/或介電層12形成較高帶隙的材料)， 在另一實施例中，增益區(qū)14包括多阱層(其中除基板和/或介電層12之外的材料形成較高帶隙的材料)。電子和空穴可被注入到裝置10中，量子阱充當(dāng)電子和空穴的陷阱。電子和空穴在量子阱的復(fù)合為裝置10提供了增益。量子阱可通過分子束外延或化學(xué)氣相沉積生長。應(yīng)當(dāng)理解的是，在設(shè)置增益區(qū)14期間，可改變氣體以達(dá)到期望的層。如圖1中所示，一旦形成增益區(qū)14，那么在其上利用之前描述的材料和技術(shù)生長或沉積介電層12的第二部分12”。介電層12(包括兩個部分12’、12”)的總厚度為激射波長的幾分之一。該總厚度將至少部分地取決于層12的折射率。通常，越高的折射率導(dǎo)致越薄的層。在一個示例中，總厚度為大約200nm，其中每個部分12’、12”的厚度為大約lOOnm。在如圖1所示的實施例中，增益區(qū)14包含于介電層12的部分12’、12”之間?？?br> 5以確信，這種具有增益區(qū)14的布置使入射光波長的重疊最大化。在各材料生長或沉積到理想厚度之后，在介電層12的部分12”中形成開口 16，在表面S1上設(shè)置納米天線18。在一個實施例中，在普遍應(yīng)用于CMOS和III-V族半導(dǎo)體工藝中的干蝕刻或濕蝕刻技術(shù)之后通過某種形式的光刻(例如光學(xué)光刻、電子束光刻、納米壓印光刻等)形成開口 16。干蝕刻的非限制性示例包括利用氟、氯和/或甲烷氣體的反應(yīng)性離子蝕刻(RIE)，濕蝕刻的非限制性示例利用HC1、HF、氫氧化鈉、氫氧化銨、硝酸和/或硫酸溶液。開口 16通常不延伸穿過介電層部分12”的整個厚度，使得入射到開口 16的光不直接接觸增益區(qū)14。期望增益區(qū)14維持不變，且在物理上與蝕刻特征/開口 16分離。該結(jié)構(gòu)有利地避免了載流子的非輻射復(fù)合。在介質(zhì)部分12’(或圖2中所示的層12)為IOOnm的實施例中，開口 16 的深度為50nm以下。如圖1所示，開口 16具有立方體或矩形棱鏡幾何形狀。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，開口 16可具有任意合適的幾何形狀，只要形成周期性性陣列。雖然圖1中示出了少量的開口 16， 但進(jìn)一步應(yīng)當(dāng)理解的是，可形成任意數(shù)量的開口 16，且開口 16的數(shù)量可至少部分地取決于表面S1上包括的天線18的數(shù)量。在一個實施例中，開口 16的數(shù)量從10X10到100X100 的陣列變化。在一個非限制性示例中，陣列包括IOX 120個開口 16。在另一非限制性示例中，陣列包括100X100個開口 16。此外，在某種情況下，陣列沿兩個方向(X和Y)具有相同周期性。如這里進(jìn)一步描述的，開口 16使入射到其上的光散射(具有相應(yīng)頻率/角度)到介電層12中。應(yīng)當(dāng)理解的是，相應(yīng)頻率至少部分地由陣列的周期性和期望的拉曼波長確定。更為具體地，相應(yīng)頻率可通過以下等式計算= ± sin θ其中λ為真空波長，θ為入射角，Λ為光柵周期，nrff為在引導(dǎo)/介電層12中的傳播模式的有效折射率。布置在裝置10的表面S1上的每個納米天線18包括至少一個處于納米級(例如從Inm到200nm)的尺寸(例如1/2長(即一個線段的長度)、寬、高等)。納米天線18可具有任意合適的幾何形狀，且常包括將通過拉曼光譜術(shù)所研究的感興趣材料引入其中的間隙G。圖1所示的納米天線18的實施例為線性天線(即，其沿單一方向延伸，無彎曲或轉(zhuǎn)向)。線性納米天線18包括兩個在其之間布置有間隙G的線路段18A、18B。所述線路段 18A、18B(和由此的光學(xué)天線18)常常由等離子振子(plasmonic)材料(例如，諸如金和銀的貴金屬)制成。應(yīng)當(dāng)理解的是，也可以使用其它的納米天線18幾何形狀。所述其它的幾何形狀的非限制性示例為十字形天線(圖2中所示)、蝶形天線以及橢圓形、球形或多面體納米顆粒二聚物天線。二聚物天線18包括兩個接觸的或在其之間具有較小間隙(例如小于lOnm)的金屬顆粒。應(yīng)當(dāng)理解的是，天線18的幾何形狀可改變，使得其以期望的頻率共振。納米天線18可通過光刻技術(shù)(例如光學(xué)光刻、電子束光刻、納米壓印光刻、光刻、 遠(yuǎn)紫外光刻、X射線光刻等)來形成，或通過沉積技術(shù)和蝕刻技術(shù)的組合來形成，或通過沉積技術(shù)和剝離技術(shù)的組合來形成，或通過直接沉積技術(shù)(例如使用聚焦離子束或噴鍍)來形成。在一個非限制性示例中，天線18是通過光刻技術(shù)、金屬蒸鍍以及剝離技術(shù)的組合來限定。如圖1所示，裝置10的一個實施例還包括電泵沈。電泵沈包括一對以足以向增益區(qū)14供給電能的方式可操作地連接到裝置10的觸頭或電極Ej1或E、E2。如圖1所示， 電極E、E1均與介電層12的一個部分12’保持電氣通信，或一個電極E可與部分12’保持電氣通信，而另一電極&與基板20保持電氣通信。電極Ej1或氏中的一個或兩個可為金屬(例如金、鉬、鋁、銀、鎢、銅等)。雖然示出的單個電極E、E1或E、E2具有矩形截面，但應(yīng)當(dāng)理解的是，電極E、E1或E、E2還可具有圓形、橢圓形或更復(fù)雜的截面。電極E、E1或E、E2 還可具有很多不同的寬度或直徑以及縱橫比或偏心率。此外，電極E、E1或E、 可以以可用的狀態(tài)獲得，或可利用常規(guī)的技術(shù)(例如光刻或電子束光刻)、或通過更加先進(jìn)的技術(shù)(例如壓印光刻)制成。在一個實施例中，每個E、E1^2的厚度在大約5nm到大約30nm的范圍內(nèi)。金屬電極Ej2還可連接到高摻雜半導(dǎo)體，以形成歐姆觸頭(即具有非常低的阻抗的觸頭)。當(dāng)使用III-V族半導(dǎo)體與金屬電極E、E2結(jié)合以形成歐姆觸頭時，應(yīng)當(dāng)理解的是， 在外延生長以形成后觸頭(例如與基板20和電極氏相鄰)期間，或在離子注入以形成上觸頭(例如，與介電層12、12’和電極E相鄰)期間可以使用任意合適的攙雜物。應(yīng)當(dāng)理解的是，在本實施例中，還可摻入間隙半導(dǎo)體(例如構(gòu)成介電層12和/或增益區(qū)14的半導(dǎo)體)。在又一實施例中，可利用垂直p-n結(jié)實現(xiàn)將電泵入III-V增益區(qū)14中。例如，高 P摻雜區(qū)域可形成在表面S1上并連接到金屬孔(Vias)，對基板20進(jìn)行高η摻雜，并連接到另一金屬觸頭。在本實施例中，間隙半導(dǎo)體(例如構(gòu)成介電層12和/或增益區(qū)14的半導(dǎo)體)可稍被摻雜以降低串聯(lián)電阻。雖然圖1示出了電泵沈，但應(yīng)當(dāng)理解的是，光泵(參照圖2所示和進(jìn)一步所描述的)可用于向增益區(qū)14供給能量。當(dāng)裝置10被適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(包括期望的開口 16和納米天線18幾何形狀)時，可放大具有相應(yīng)頻率/角度的光。在裝置10的使用過程中，在天線18周圍的特定小區(qū)域(即熱斑)中的電場比處于或大約處于天線18的共振頻率的特定頻率范圍內(nèi)的入射電磁(EM) 波的電場強(qiáng)得多。同樣，當(dāng)感興趣的材料(或由感興趣的材料制成的對象)被放置在熱斑處時，該材料的拉曼散射在激發(fā)過程或輻射過程或，在某些情況下，在激發(fā)和輻射兩個過程中得到大大增強(qiáng)。這至少部分是由于介電層12(包括開口 16)和增益區(qū)14的存在。在裝置 10的使用過程中，感興趣的材料被放置在納米天線18的間隙中或納米天線18的任意熱斑處；激射波長/激發(fā)波長的光射向表面S1 ；電能被供給增益區(qū)14 (其向裝置10提供增益)。 入射到開口 16上的光在介電層12中散射，并在介電層12中被俘獲。被散射俘獲的光波沿著介電層12傳播，且在各個開口 16之間多次反射。被俘獲傳播的波通過電激發(fā)增益區(qū)14 而被放大。這些被放大的波增強(qiáng)了熱斑中材料的激發(fā)，且生成用于拉曼光譜術(shù)的較大的局部電場。應(yīng)當(dāng)理解的是，泵入到裝置10中的電功率是補(bǔ)充激發(fā)光束中已存在的功率。在存在泵浦增益的情況下SERS信號將隨額外的功耗而單調(diào)增大。現(xiàn)在參照圖2，描述另一實施例的裝置10’。與圖1所示的實施例相同的是，本實施例中的介電層12和增益區(qū)14均布置在基板20上。然而，與圖1所示的實施例不同的是，本實施例中的增益區(qū)14相鄰于表面&，S1放置，表面&，S1與激發(fā)光/激射光射向的表面S1, S2相對。同樣，增益區(qū)14布置在基板20和介電層12之間，且未夾在介電層12的部分12’、12”之間。可以使用任意合適的介質(zhì)材料，所述介質(zhì)材料選擇為具有比與其相鄰的材料(例如基板20)和/或環(huán)境(例如空氣)的折射率高的折射率。應(yīng)當(dāng)理解的是，介電層12可為這里參照圖1所述的材料的任意一種。在本實施例中，增益區(qū)14和基板20均選擇為具有比介電層12的折射率小的折射率?；?0還選擇為使得其不吸收裝置10’的激發(fā)或輻射頻率。參照圖1描述了適合的基板材料和增益區(qū)材料的示例。在本實施例中，構(gòu)成增益區(qū)14的材料生長或沉積在基板20上。構(gòu)成增益區(qū)14的材料可以為本文描述的材料的任意一種。類似于圖1所述的實施例，增益區(qū)14可包括量子點(例如成簇或成角錐形)或量子阱。在本實施例中也可以利用本文公開的關(guān)于量子點或量子阱的任意一種方法和/或材料。如圖2所示，一旦形成增益區(qū)14，則在其上利用先前描述的材料和技術(shù)生長或沉積介電層12。介電層12的總厚度為激射波長的幾分之一。如先前提及的，總厚度將至少部分地取決于層12的期望折射率，且折射率越高，層12越薄。在一個示例中，總厚度為大約200nm。在另一示例中，總厚度為lOOnm。圖2所示的裝置10’的實施例可能沒有圖1和圖3分別所示的裝置10、10”的實施例有效，這至少部分地是因為增益區(qū)14的位置；然而， 該裝置10，比裝置10和10”更易于制造。在各材料生長或沉積到期望的厚度之后，利用本文描述的方法在介電層12的一部分中形成開口 16，利用本文公開的材料和方法在表面S1I布置納米天線18’。在圖2所示的實施例中，納米天線18’包括以非零角度交叉且在它們的交叉部分共享間隙G的兩個單獨天線(每個天線包括兩段1 和18b)。如圖2中所示，一個實施例的裝置10’還包括光泵28。光泵28包括至少一個光源L，光源L相對于裝置10’以足以向增益區(qū)14供給光能的方式可操作地設(shè)置。如圖2所示，光源L與增益區(qū)14的一個區(qū)域保持光通信。應(yīng)當(dāng)理解的是，可使用多個光源L，以向增益區(qū)14供給能量，且所述附加的光源(未示出)可設(shè)置為使得光射向增益區(qū)14的其它區(qū)域。光源L的非限制性示例包括發(fā)光二極管(LED)或激光器，其頻率取決于所使用的增益區(qū)14。作為一個示例，摻鉺玻璃在980nm或1480nm處被泵浦，且在1550nm區(qū)域中呈現(xiàn)出增
■、Λ
frff. ο當(dāng)裝置10’被適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(包括期望的開口 16和納米天線18’幾何形狀)時，可放大具有相應(yīng)頻率/角度的光。在裝置10’的使用過程中，在天線18’周圍的特定小區(qū)域中(即熱斑)的電場比處于或大約處于天線18’的共振頻率的特定頻率范圍內(nèi)的入射電磁 (EM)波的電場強(qiáng)得多。同樣，當(dāng)感興趣的材料(或由感興趣的材料制成的對象)被放置在熱斑處時，該材料的拉曼散射在激發(fā)過程或輻射過程或，在某些情況下，在激發(fā)和輻射兩個過程中得到大大增強(qiáng)。這至少部分是由于介電層12(包括開口 16)和增益區(qū)14的存在。更具體地，在裝置10’的使用過程中，感興趣的材料被放置在交叉的納米天線18’的間隙G中 (或納米天線18’的任意熱斑處)；激射波長/激發(fā)波長的光射向表面S1 ；光能被供給增益區(qū)14(其向裝置10’提供增益)。入射到開口 16上的光(來自激發(fā)/激射光源，未示出) 在介電層12中散射，并在介電層12中被俘獲。被散射俘獲的光波沿著介電層12’傳播，且在各個開口 16之間多次反射。被俘獲傳播的波通過光激發(fā)增益區(qū)14而被放大。這些被放大的波增強(qiáng)了熱斑中材料的激發(fā)，且生成用于拉曼光譜術(shù)的較大的局部電場。應(yīng)當(dāng)理解的是，泵入到裝置10中的光功率是補(bǔ)充激發(fā)光束中已存在的功率。在存在泵浦增益的情況下 SERS信號將隨額外的功耗而單調(diào)增大。參照圖3，描述又一實施例的裝置10”。與參照圖1和圖2所述的元件和部件相似的元件和部件包括于圖3的裝置10”中，因此結(jié)合所述裝置10、10’描述的材料和技術(shù)適用于圖3所示的裝置10”。雖然在圖3中未示出電泵沈和/或光泵觀，但應(yīng)當(dāng)理解的是，可使用所述泵26、28的其中一個以向增益區(qū)14供給能量。在圖3所示的實施例的裝置10”中，增益區(qū)14形成在介電層12的所有部分或一部分中。為增益區(qū)14所選的材料可通過離子注入而被注入到介電層中。本實施例的一個非限制性示例為引入玻璃層中的鉺離子。應(yīng)當(dāng)理解的是，可控制在離子注入過程中使用的電壓，以控制離子被注入到介電層14的深度。在一些情況中，離子可被注入到介電層12的整個深度，由此增益區(qū)14遍及整個介電層12。在其它的情況中，離子可被注入到介電層12 深度的一部分中，由此增益區(qū)14存在于介電層12的該部分中。應(yīng)當(dāng)理解的是，部件12、14、16以及18或18’可不布置在整個基板20上，而是可懸浮在基板20上方。圖5D示出了這種示例。圖5A和5C或圖5B或5D—起示出了這樣的裝置10”’的形成。圖5A和5B中示出的實施例與圖1所示的裝置10相似，除了包括6X6 個開口 16的陣列。應(yīng)當(dāng)理解的是，開口 16的陣列在一些情況中可具有相同的X和Y周期性。此外，在本實施例中，穿過介電層12的整個深度形成開口 30，以使基板20暴露。 所述開口 30可包圍部件12、14、16、18?？梢砸灶愃朴谟糜谛纬砷_口 16的方式來形成這些開口 30，例如，經(jīng)干或濕蝕刻之后通過特定形式的光刻來形成。在形成開口 30之后，可選擇性地蝕刻基板20而不蝕刻介電層12或增益區(qū)14的蝕刻劑通過開口 30暴露于基板20。這種蝕刻劑去除了基板20的一部分。以此方式蝕刻基板20得到開口 16、納米天線18以及層12和層14 (所述部件16、18形成或布置在其上)懸浮在形成于基板20中的空腔32上方。基板20暴露于蝕刻劑的時間將指示基板20中的多少被去除。通常，蝕刻時間取決于所使用的蝕刻劑的濃度和類型。在一個實施例中，蝕刻時間小于或等于5分鐘。在一個非限制性示例中，當(dāng)介電層12為GaAs，基板20為AWaAs時， 氫氟酸(HF)可為合適的蝕刻劑。雖然圖5D所示的空腔32具有清楚限定的幾何形狀，但應(yīng)當(dāng)理解的是，空腔32可具有任何規(guī)則的或不規(guī)則的幾何形狀。作為一個非限制性示例，空腔32的側(cè)壁可為傾斜的，而不是圓形的。圖5C(俯視圖)和圖5D(截面圖)示出了所得到的懸浮裝置10”’。在本實施例中，應(yīng)當(dāng)理解的是，介電層12的折射率高于周圍環(huán)境(例如空腔32中的空氣)的折射率。本文公開的裝置10、10’、10”、10”’適合應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)的拉曼探測步驟。圖4示意性地示出了用于此類步驟的系統(tǒng)100，其包括裝置10、10’、10”、10”’、電泵沈或光泵觀、激射 /激發(fā)光源22以及探測器M。在一些實施例中，分析物分子或顆粒分布在間隙中或位于納米天線18、18’的熱斑處，且隨后受到來自光源22的適合的激射/激發(fā)波長的激光激發(fā)。如先前所述的，入射到開口 16上的光在介電層12中散射，并在介電層12中被俘獲。被俘獲的光通過增益層14被放大。該被放大的光增強(qiáng)了納米天線18、18’之內(nèi)或之上的分子/顆粒的激發(fā)，利用已知的探測器M探測所得到的拉曼信號。 雖然詳細(xì)描述了多個實施例，但可修改所公開的實施例，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯然的。因此，上述描述被認(rèn)為是示例性的而非限制性的。
權(quán)利要求
1.一種用于表面增強(qiáng)拉曼光譜術(shù)的光放大裝置(10、10’、10”、10”’)，包括具有兩個相對的表面(S1A2)的介電層(12)，其中所述介電層(12)的折射率高于與其直接相鄰的材料或環(huán)境的折射率；形成在所述介電層(1 的所述兩個相對的表面(Sp S2)中的一個(S1)中的至少一個開口 (16)；設(shè)置在所述介電層(12)的所述兩個相對的表面(Sp S2)中的所述一個(S1)上的至少一個納米天線(18、18’ )；以及位于所述介電層(12)中或與所述介電層(12)的所述兩個相對的表面(SpS)中的另一個(S2)相鄰的增益區(qū)(14)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大裝置(10、10，、10”、10”，)，進(jìn)一步包括基板(20)，所述介電層(1 直接或間接設(shè)置在所述基板00)上，其中所述基板00)具有比所述介電層 (12)的折射率小的折射率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光放大裝置(10、10，、10”、10”，)，其中所述增益區(qū)(14)位于所述介電層(1 中，并且其中所述介電層(1 直接設(shè)置在所述基板OO)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光放大裝置(10、10，、10”、10”，)，其中所述增益區(qū)(14)與所述介電層(12)的所述兩個相對的表面(S1A2)中的所述另一個(S2)相鄰，并且其中所述增益區(qū)(14)直接設(shè)置在所述基板OO)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項所述的光放大裝置(10、10，、10”、10”，)，其中所述增益區(qū)(14)包括量子點或量子阱中的至少一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項所述的光放大裝置(10、10，、10”、10”，)，其中所述增益區(qū)(14)包括III-IV族半導(dǎo)體材料或摻鉺玻璃。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任意一項所述的光放大裝置(10、10’、10”、10”’)，進(jìn)一步包括以下至少一種i) 一對電極(E、E1或E、E2)或ii)配置為向所述增益區(qū)(14)供給能量的光源(L)。
8.一種用于施行表面增強(qiáng)拉曼光譜術(shù)的系統(tǒng)(100)，包括 光放大裝置(10、10，、10”、10”，)，包括具有兩個相對的表面(S1A2)的介電層(12)，其中所述介電層(12)的折射率高于與其直接相鄰的材料或環(huán)境的折射率；形成在所述介電層的所述兩個相對的表面(Sp S2)中的一個(S1)中的至少一個開口 (16)；設(shè)置在所述介電層(12)的所述兩個相對的表面(Sp S2)中的所述一個(S1)上的至少一個納米天線(18、18’ )；以及位于所述介電層(12)中或與所述介電層(12)的所述兩個相對的表面(SpS)中的另一個(S2)相鄰的增益區(qū)(14)；可操作地配置為向所述增益區(qū)(14)供給能量的能量源06、觀)；以及可操作地配置為將光導(dǎo)向所述光放大裝置(10、10’、10”、10”’ )的所述至少一個納米天線(18、18’ )的光源02)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)(100)，進(jìn)一步包括可操作地設(shè)置為探測來自與所述光放大裝置(10、10’、10”、10”’)的所述至少一個納米天線(18、18’)的至少一部分相鄰的感興趣的材料的增強(qiáng)拉曼信號。
10.一種用于表面增強(qiáng)拉曼光譜術(shù)的光放大裝置(10、10’、10”、10”’)的制造方法，該方法包括在介電層(12)的兩個相對的表面(S1A2)中的一個(S1)中形成至少一個開口(16)，所述介電層(1 的折射率高于被配置為與其直接相鄰的材料或環(huán)境的折射率；在所述介電層(1 的所述兩個相對的表面(Sp S2)中的所述一個(S1)上設(shè)置至少一個納米天線(18、18’ )；以及在所述介電層(12)中或與所述介電層(12)的所述兩個相對的表面(SpS)中的另一個(S2)相鄰地設(shè)置增益區(qū)(14)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，進(jìn)一步包括可操作地放置能量源(沈、28)使得其選擇性地被配置為向所述增益區(qū)(14)供給能量，所述能量源(沈、28)選自i) 一對電極(Ej1 或Ε、E2)和ii)光源(L)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的方法，進(jìn)一步包括在折射率小于所述介電層(12)的折射率的基板00)上直接或間接設(shè)置所述介電層(12)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中在所述介電層(1 中設(shè)置所述增益區(qū)(14)和在所述基板00)上直接設(shè)置所述介電層(1 通過以下步驟完成在所述基板00)上直接生長所述介電層(1 的第一部分(12’ )；在所述介電層(1 的所述第一部分(12’ )上生長量子阱以形成所述增益區(qū)(14)；以及在所述增益區(qū)(14)上生長所述介電層(12)的第二部分(12”)，其中所述介電層(12) 的所述第二部分(12”)的表面為所述介電層(1 的所述兩個相對的表面(S” S2)中的所述一個(S1)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中與所述兩個相對的表面(SpS)的另一個(S2) 相鄰地設(shè)置所述增益區(qū)(14)通過以下步驟完成在所述基板OO)上直接沉積形成所述增益區(qū)(14)的材料；然后所述增益區(qū)(14)上沉積所述介電層(12)。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中在所述介電層(1 中設(shè)置所述增益區(qū)(14)通過離子注入完成。
全文摘要
本文公開一種用于表面增強(qiáng)拉曼光譜術(shù)的光放大裝置(10、10’、10”、10”’)。裝置(10、10’、10”、10”’)包括具有兩個相對的表面(S1、S2)的介電層(12)。介電層(12)的折射率高于與其直接相鄰的材料或環(huán)境的折射率。至少一個開口(16)形成在介電層(12)的兩個相對的表面(S1、S2)中的一個(S1)中，并且至少一個納米天線(18、18’)設(shè)置在介電層(12)的兩個相對的表面(S1、S2)中的一個(S1)上。增益區(qū)(14)位于介電層(12)中或與介電層(12)的兩個相對的表面(S1、S2)中的另一個(S2)相鄰。
文檔編號G01J3/44GK102472666SQ200980160869
公開日2012年5月23日 申請日期2009年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月8日
發(fā)明者S-Y·王, 戴維·A·法塔勒, 李志勇, 李晶晶 申請人:惠普開發(fā)有限公司