專利名稱：用于表面增強發(fā)光的自動布置、發(fā)光增強器件的制作方法
用于表面增強發(fā)光的自動布置、發(fā)光增強器件
相關申請本申請涉及由Zhiyong Li等人在2010年4月20日提交的題為“MULTI-PILLAR STRUCTURE FOR MOLECULAR ANALYSIS”的美國專利申請序號，其具有代理人檔案號 200904810-1，并轉讓給本發(fā)明的受讓人。技術領域
本發(fā)明的實施例一般涉及用于表面增強發(fā)光的器件。
背景技術：
諸如表面增強拉曼光譜(SERS)的表面增強發(fā)光技術已經作為用于分析無機材料和復雜有機分子的結構的前沿技術而出現。例如，在SERS中，從事于拉曼光譜應用的科學家已經發(fā)現通過用金屬薄層來裝飾稍后分子在其上面被吸收的表面，其中表面等離子體激元(surface plasmons)具有在用來激勵此類分子的電磁福射范圍中的頻率且其中表面等離子體激元具有在由此類分子發(fā)射的電磁輻射范圍中的頻率，可以增強此類分子的拉曼光譜的強度。
另外，利用光譜技術進行分子結構分析的光譜學工作者對改善其光譜技術的靈敏度具有持續(xù)的興趣。改善的靈敏度不僅是縮短分析時間所期望的，而且改善的靈敏度能夠提供先前不可實現的結果。例如，改善的靈敏度直接與用于先前未檢測到的分子組分的較低可檢測性極限有關。因此，激發(fā)了從事于表面增強發(fā)光技術的應用的科學家改善表面增強發(fā)光技術的靈敏度，例如SERS，以便檢測分子和這些分子中的一半的光譜特征。


被結合到本說明書中并構成其一部分的

了本發(fā)明的實施例并連同描述一起用于解釋
具體實施例方式圖I是依照本發(fā)明的實施例的自動布置(self-arranging)、發(fā)光增強器件的透視圖。
圖2是依照本發(fā)明的實施例的與載送多個分子的流體載體接觸的自動布置、發(fā)光增強器件的通過圖I的線2-2的橫截面正視圖。
圖3是依照本發(fā)明的實施例的示出了自動布置成具有被設置在柔性柱狀結構的金屬帽之間的分子的緊密封裝配置(close-packed configuration)的柔性柱狀結構的自動布置、發(fā)光增強器件的通過圖I的線2-2的橫截面正視圖。
圖4是依照本發(fā)明的實施例的柔性柱狀結構已自動布置成具有被設置在金屬帽之間的分子的緊密封裝配置之后的圖I的自動布置、發(fā)光增強器件的另一透視圖。
圖5是依照本發(fā)明的實施例的包括包含圖I的用于表面增強發(fā)光的自動布置、發(fā)光增強器件的光學部件的光學設備的示意圖，其示出了用于設置在金屬帽之間的分子的表面增強拉曼光譜(SERS)的示例性配置。
圖6A、6B和6C是依照本發(fā)明的實施例的圖I的自動布置、發(fā)光增強器件的制造中的各種階段處的橫截面正視圖，其說明了在制造中使用的處理操作序列。
圖7是依照本發(fā)明的實施例的用于制造用于表面增強發(fā)光的自動布置、發(fā)光增強器件的方法的流程圖。
除非具體地說明，不應將在本說明中所參考的附圖理解為按比例繪制。
具體實施方式
現在將詳細地對本發(fā)明的替換實施例進行參考。雖然將結合替換實施例來描述本發(fā)明，但應理解的是其并不意圖使本發(fā)明局限于這些實施例。相反，本發(fā)明意圖覆蓋替換、 修改和等價物，其可以被包括在由所附權利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍內。
此外，在本發(fā)明的實施例的以下描述中，闡述許多特定細節(jié)是為了提供本發(fā)明的透徹理解。然而，應注意的是可以在沒有這些特定細節(jié)的情況下實施本發(fā)明的實施例。在其他情況下，未詳細描述眾所周知的方法、程序和部件以免不必要地使本發(fā)明的實施例含糊難懂。遍及各圖，用相同的附圖標記來表示相同的部件，并且在不必要時，為了解釋清楚而省略了重復描述。
本發(fā)明的實施例包括用于表面增強發(fā)光的自動布置、發(fā)光增強器件。用于表面增強發(fā)光的該自動布置、發(fā)光增強器件包括襯底以及多個柔性柱狀結構。所述多個中的柔性柱狀結構包括柔性柱以及被耦合到柔性柱的頂點的金屬帽。至少該柔性柱狀結構和第二柔性柱狀結構被配置成自動布置成具有被設置在各自柔性柱狀結構和所述第二柔性柱狀結構的至少所述金屬帽和第二金屬帽之間的至少一個分子的緊密封裝配置。
參考圖1，依照本發(fā)明的實施例，示出了自動布置、發(fā)光增強器件101的透視圖 100。用于表面增強發(fā)光的自動布置、發(fā)光增強器件101包括襯底110、多個柔性柱狀結構 120，例如柔性柱狀結構120-1、120-2、120-3、120-4和120-5。所述多個120中的柔性柱狀結構120-1包括柔性柱120-1A和金屬帽120-1B。類似地，所述多個120中的其他柔性柱狀結構、例如柔性柱狀結構120-2、120-3、120-4和120-5包括柔性柱，分別地諸如柔性柱 120-2A、120-3A、120-4A 和 120-5A，以及金屬帽，分別地例如金屬帽 120-2B、120-3B、120-4B 和120-5B。如圖I所示，舉例來說，一行柔性柱狀結構包括柔性柱狀結構120-1、120-2、 120-3,120-4和120-5，不限于此；并且舉例來說，柔性柱狀結構陣列包括多個行，不限于此。因此，依照本發(fā)明的一個實施例，多個柔性柱狀結構120包括包含多行柔性柱狀結構的柔性柱狀結構陣列。然而，與圖I所示的相比不那么井然有序的柔性柱狀結構的其他布置也在本發(fā)明的實施例的精神和范圍內。圖I所示的布置僅說明如在自頂向下制造程序中可以制造的自動布置、發(fā)光增強器件101中的多個柔性柱狀結構120的布置的一個示例，在自頂向下制造程序在光刻工藝中采用網格狀掩膜；但是，其他制造方法也在本發(fā)明的實施例的精神和范圍內，其隨后被描述。
進一步參考圖1，依照本發(fā)明的實施例，柔性柱狀結構、例如多個柔性柱狀結構 120中的柔性柱狀結構120-1可以具有蘑菇的形狀，因此，本發(fā)明人已杜撰了比喻性術語 “蘑菇結構”以用于柔性柱狀結構。然而，依照本發(fā)明的實施例，柔性柱狀結構不限于具有蘑菇的形狀，因為其他形狀也在本發(fā)明的實施例的精神和范圍內。此外，舉例來說，依照本發(fā)明的實施例，柔性柱可以具有納米圓錐的形式，如圖I和4中所示的，不限于此；但是，更一般地，柔性柱可以選自由納米圓錐、納米角錐(nanopyramid)、納米棒(nanorod)、納米桿(nanobar)、納米柱(nanopole)和納米草組成的組,不限于此。正如本文所使用的技術術語“納米圓錐、納米角錐、納米棒、納米桿、納米柱和納米草”指的是這樣的結構，其分別地基本上是圓錐形、角錐形、棒狀、桿狀、柱狀和草狀的，其具有在高度上小到幾十納米且在直徑或寬度上幾納米的納米尺度。例如，柔性柱可以包括具有以下尺度的納米柱50 nm至 500 nm的直徑、50 nm至2微米(μ m)的高度以及20 nm至500 nm的柔性柱之間的間隙。 技術術語基本上圓錐形、基本上角錐形、基本上棒狀、基本上桿狀、基本上柱狀和基本上草狀意指該結構在用納米技術的制造極限內幾乎具有圓錐、角錐、棒、桿、柱和草狀清晰度的各自形狀。此外，舉例來說，依照本發(fā)明的實施例，金屬帽可以具有扁圓納米橢球體的形式， 如圖I和4中所示的，不限于此；但是，更一般地，金屬帽可以選自由以下各項組成的組納米球、扁長納米橢球體、扁圓納米橢球體、納米盤以及納米板，不限于此。正如本文所使用的技術術語“納米球、扁長納米橢球體、扁圓納米橢球體、納米盤以及納米板”指的是這樣的結構，其分別地基本上是球狀、扁長橢球狀、扁圓橢球狀、盤狀以及板狀的，其具有在高度、直徑或寬度的尺寸上小到幾納米的納米尺度。例如，依照本發(fā)明的實施例，金屬帽的直徑為約 20 nm至500 nm。另外，技術術語基本上球狀、基本上扁長橢球狀、基本上扁圓橢球狀、基本上盤狀和基本上板狀意指該結構在用納米技術的制造極限內幾乎具有球體、扁長橢球體、 扁圓橢球體、盤和板的各自形狀。
進一步參考圖1，依照本發(fā)明的實施例，金屬帽120-1B被耦合到柔性柱120-1A 的頂點120-1C (圖I中未示出，但是參見圖6B和6C)。類似地，其他金屬帽、例如金屬帽 120-2B、120-3B、120-4B和120-5B被耦合到柔性柱、分別地例如柔性柱120-2A、120-3A、 120-4A和120-5A的頂點，分別地例如頂點120-2C、120-3C、120-4C和120-5C (圖I中未示出，但是參見圖6B和6C)。如圖I中所示的，在多個柔性柱狀結構120之間設置了多個空隙。例如，小空隙130位于金屬帽120-1B與金屬帽120-2B之間。進一步舉例來說，不同種類的空隙、大空隙132位于四個金屬帽120-8B、120-9B、120-13B和120-14B之間。此類空隙被配置成出于表面增強發(fā)光的目的接收分子(未示出，但是參見圖2)。正如本文所使用的技術術語“表面增強發(fā)光”在其意義范圍內還包含表面增強拉曼發(fā)射，如在表面增強拉曼光譜(SERS)，以及表面增強熒光中。依照本發(fā)明的實施例，所述多個120中的至少柔性柱狀結構120-1和第二柔性柱狀結構120-2被配置成自動布置成具有被設置在各自柔性柱狀結構120-1和第二柔性柱狀結構120-2的至少金屬帽120-1B和第二金屬帽120-2B之間、例如在小空隙130的位置處的至少一個分子220-1 (未示出，但是參見圖2)的緊密封裝配置， 如接下來借助于通過線2-2的橫截面所述的。
現在參考圖2，依照本發(fā)明的實施例，示出了通過圖I的線2-2的自動布置、發(fā)光增強器件101的橫截面正視圖200。圖2以剖面方式示出了一行柔性柱狀結構120-1、120-2、 120-3、120-4和120-5 ;柔性柱狀結構120-1、120-2、120-3、120-4和120-5分別包括柔性柱 120-1A、120-2A、120-3A、120-4A 和 120-5A ；以及金屬帽 120-1B、120-2B、120-3B、120-4B 和 120-5B。如圖2中所示的，用示例性雙頭箭頭250來指示柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、 120-4A和120-5A中的每一個的柔性范圍，示例性雙頭箭頭250被示為覆蓋柔性柱120-3A。 進一步如圖2中所示的，自動布置、發(fā)光增強器件101的該行柔性柱狀結構120-1、120-2、 120-3、120-4和120-5被配置成與載送多個分子220、例如分子220-1和220-2的流體載體 212進行接觸。舉例來說，如圖2中所示的，流體載體可以處于運動中，不限于此，如流向量所指示的，其中的流向量212-1是示例；此類配置可能適合于針對可疑分子的存在用自動布置、發(fā)光增強器件101對環(huán)境進行采樣。替換地，流體載體可以是靜態(tài)的而不運動，如對于自動布置、發(fā)光增強器件101浸沒在包含包括流體載體和分子(分析物由其組成)的分析物的溶液中的情況而言可能的那樣。依照本發(fā)明的實施例，技術術語“流體”是在一般意義上使用的，因此流體可以是液體或者替換地氣體。因此，自動布置、發(fā)光增強器件101被配置成接收分析物的分子以用于光譜分析，如SERS、表面增強熒光光譜或其他表面增強發(fā)光應用。
進一步參考圖2，依照本發(fā)明的實施例，分析物分子220-1可以接近空隙、例如空隙130的位置，其中，相鄰金屬帽、例如金屬帽120-1B和120-2B分離開距離240。依照本發(fā)明的實施例，多個柔性柱狀結構120的金屬帽、例如金屬帽120-1B被配置成結合到緊密接近于金屬帽120-1B設置的分子220-1。舉例來說，此類結合可以通過金屬帽120-1B和分子 220-1之間的范德華力發(fā)生，不限于此；或者替換地，此類結合可以通過其他類型的結合力發(fā)生，諸如由金屬帽120-1B實現的分子的表面物理吸附或表面化學吸附，不限于此。一旦分子被結合到金屬帽，例如，金屬帽120-1B，依照本發(fā)明的實施例，多個金屬帽630 (參見圖 6C)中的至少一個金屬帽、例如金屬帽120-1B被配置成增強來自緊密接近于金屬帽120-1B 設置的分子220-1的發(fā)光。此外，依照本發(fā)明的另一實施例，多個金屬帽630 (參見圖6C) 中的至少一個金屬帽、例如金屬帽120-1B可以由增強表面發(fā)光的組分組成，諸如選自由銅、銀、鋁和金或銅、銀、鋁和金的任何組合組成的組的材料。此外，依照本發(fā)明的另一實施例，多個 120 柔性柱狀結構 120-1、120-2、120-3、120-4 和 120-5 的柔性柱 120-1A、120-2A、 120-3AU20-4A和120-5A還包括柔性材料，該柔性材料選自由高度交聯uv可固化或熱可固化聚合物、高度交聯uv可固化或熱可固化塑料、聚硅氧烷化合物、硅、二氧化硅、旋壓玻璃、 溶膠-凝膠材料、氮化硅、金剛石、類似于金剛石的碳、氧化鋁、藍寶石、氧化鋅以及二氧化鈦組成的組，其包括電介質和非電介質材料兩者，接下來描述其目的。
現在參考圖3，依照本發(fā)明的實施例，示出了通過圖I的線2-2的自動布置、發(fā)光增強器件101的橫截面正視圖300。圖3示出了自動布置成具有分子、例如分別設置在柔性柱狀結構120-1和120-2的金屬帽120-1B和120-2B之間的分子220-1以及分別設置在柔性柱狀結構120-3和120-4的金屬帽120-3B和120-4B之間的分子220-2的緊密封裝配置的柔性柱狀結構120-1、120-2、120-3和120-4。由于多個柔性柱狀結構120的柔性柱120-1A、 120-2AU20-3A和120-4A包括如上所述的柔性或柔順材料、依照本發(fā)明的實施例，至少一個柔性柱120-1A被配置成朝著至少第二柔性柱120-2A彎曲，并且將分子220-1設置為與第二柔性柱120-2A上的至少第二金屬帽120-2B緊密接近。在其中流體載體包括流體的情況下，少量液體、例如液池320和330可能仍被俘獲在柔性柱、分別地例如柔性柱120-1A 和120-2A與柔性柱120-3A和120-4A之間，這引起施加在柔性柱上的微毛細管力；該微毛細管力用于隨著流體蒸發(fā)而將柔性柱、例如柔性柱120-1A和120-2A與柔性柱120-3A和 120-4A吸在一起，這允許柔性柱狀結構120-1和120-2自動布置成具有被設置在各個柔性柱狀結構120-1和第二柔性柱狀結構120-2的至少金屬帽120-1B和第二金屬帽120-2B之間的至少一個分子220-1的緊密封裝配置。
因此，進一步參考圖3，在其中流體載體包括液體的情況下，依照本發(fā)明的實施例， 柔性柱120-1A被配置成在由流體載體210的去除引發(fā)的微毛細管力的作用下朝著第二柔性柱120-2A彎曲，流體載體210即為被提供為用于將分子220-1載送至與金屬帽120-1B 和第二金屬帽120-2B接近的液體。依照本發(fā)明的另一實施例，具有被設置在金屬帽120-1B 和第二金屬帽120-2B之間的分子220-1的金屬帽120-1B和第二金屬帽120-2B之間的緊密封裝配置的間距340是由分子220-1與金屬帽120-1B和第二金屬帽120-2B之間的結合力的平衡(balance)確定的，恢復由于柔性柱120-1A和第二柔性柱120-2A朝著分子220-1 的位移而由柔性柱120-1A和第二柔性柱120-2A施加的力。因此，依照本發(fā)明的實施例，間距340接近于由分子220-1的尺寸確定的極限，其可以小到O. 5nm ;間距340接近于金屬帽 120-1B和120-2B之間的最小可能間隔的物理極限；并且，因此，金屬帽充當接近于在用于表面增強發(fā)光的至少兩個此類天線之間可能的最大耦合的兩個天線。此外，耦合超過兩個天線的效果也在本發(fā)明的精神和范圍實施例內，其接下來被描述。
現在參考圖4并進一步參考圖I和3，依照本發(fā)明的實施例，示出了圖I的自動布置、發(fā)光增強器件101的另一透視圖400。如圖4中所示的，多個柔性柱狀結構120中的大多數已自動布置成具有分子、例如設置在金屬帽、分別地例如金屬帽120-1B和120-2B、金屬帽 120-3B 和 120-4B 以及金屬帽 120-8B、120-9B、120-13B 和 120-14B 之間的分子 220-1、 220-2和410的緊密封裝配置。依照本發(fā)明的實施例，與金屬帽耦合的相應柔性柱已朝著相鄰的柔性柱彎曲，如在由流體載體210的去除引發(fā)的微毛細管力的作用下可能發(fā)生的那樣，流體載體210在這種情況下為液體。例如，類似于空隙130的小空隙被配置成捕捉較小分子，例如分子220-1和220-2 ;并且類似于空隙132的大空隙被配置成捕捉較大分子，例如分子410。依照本發(fā)明的實施例，所捕捉分子的尺寸是由金屬帽之間的自動布置間距確定的，例如具有被設置在金屬帽120-1B和第二金屬帽120-2B之間的分子220-1的金屬帽 120-1B和第二金屬帽120-2B之間的緊密封裝配置的間距340。舉例來說，依照本發(fā)明的實施例，自動布置間距的尺寸可以為約2nm，不限于此。因此，依照本發(fā)明的實施例，可以將自動布置、發(fā)光增強器件101配置成提供用于從載送至少一個特定分子種類的分析物的溶液捕捉各種尺寸的分子的襯底。例如，然后可以在分析物的所捕捉分子的SERS分析中使用自動布 置、發(fā)光增強器件101，接下來更詳細地對其進行描述。
現在參考圖5并進一步參考圖1、3和4，依照本發(fā)明的其它實施例，示出了光學設備501的示意圖500。如圖I中所示的，光學設備501包括光學部件502，其包括用于圖I的表面增強發(fā)光的自動布置、發(fā)光增強器件101。舉例來說，依照本發(fā)明的一個實施例，示出了用于被設置在自動布置、發(fā)光增強器件101的金屬帽之間的分子的SERS的示例性配置，不限于此。依照本發(fā)明的實施例，用于表面增強發(fā)光的自動布置、發(fā)光增強器件101包括襯底 110以及多個柔性柱狀結構120。依照本發(fā)明的實施例，多個120中的柔性柱狀結構120-1 包括柔性柱120-1A以及被耦合到柔性柱120-1A的頂點120-1C的金屬帽120-1B。依照本發(fā)明的實施例，至少柔性柱狀結構120-1和第二柔性柱狀結構120-2被配置成自動布置成具有被設置在各自柔性柱狀結構120-1和第二柔性柱狀結構120-2的至少金屬帽120-1B 和第二金屬帽120-2B之間的至少一個分子220-1的緊密封裝配置。因此，在光學部件502 和光學設備501的環(huán)境內可以結合用于自動布置、發(fā)光增強器件101的本發(fā)明的先前所述實施例，不限于此。此外，依照本發(fā)明的實施例，光學部件502可以選自由反射鏡、光柵、波導以及分析單元組成的組。
進一步參考圖5，依照本發(fā)明的實施例，光學設備501可以包括光譜儀，例如拉曼光譜儀，不限于此。圖5示出了光學設備501的配置，光學設備包括光譜儀，其被配置成接納用于執(zhí)行至少一個分子、例如分子220-1、分子220-2或分子410的光譜學、例如SERS的光學部件502。該光譜儀包括用來激勵至少一個分子、例如分子410的激勵性電磁輻射510的源。激勵性電磁輻射510的源可以是激光器(未示出)。激勵性電磁輻射510的光子的能量是由普朗克常量乘以激光源的頻率給出的，由hvla_給出。另外，光譜儀包括被用來分析和檢測所發(fā)射的電磁福射520的分析儀(未不出)和檢測器(未不出)。散射的電磁福射520響應于激勵激光源從分子410出現。例如，在SERS的情況下，來自分子410的發(fā)射電磁輻射520的光子的能量由普朗克常量乘以分子源的頻率給出，由hvlasOT = hv0 土 hA給出，其中，V。是入射激光場的頻率且△是拉曼頻移。由于與在所述多個柔性柱狀結構的所述多個金屬帽、例如金屬帽120-1B和120-2B、金屬帽120-3B和120-4B以及金屬帽120-8B、120-9BU20-13B和120-14B中激勵的表面等離子體激元的交互，與入射場Etl相比增強了分子、分別地例如分子220-1、分子220-2或分子410處的本地電場Enwleeule的量值。 進一步參考圖5，依照本發(fā)明的實施例，金屬帽的組成使得在金屬中激勵的表面等尚子體基兀在激勵性電磁福射510和從分子410發(fā)射的電磁福射的波長范圍內；這些波長范圍可以從近紫外線延伸至近紅外線。因此，依照本發(fā)明的實施例，所述多個金屬帽可以由貴金屬組分組成；或者替換地，所述多個金屬帽可以由選自由銅、銀和金組成的組分的組的組分組成。依照本發(fā)明的實施例，通過增加金屬帽的數目來將與發(fā)射的電磁輻射520相關聯的信號放大，分子被接近于所述金屬帽設置。本發(fā)明的實施例通過采用多個柔性柱狀結構120來增加接近于分子、例如分子410的金屬帽、例如金屬帽120-8B、120-9B、120-13B和120-14B的數目，所述多個柔性柱狀結構120包括在其上面設置了多個金屬帽630 (參見圖6C)的多個柔性柱610 (參見圖6B)。因此，依照本發(fā)明的實施例，由于增加的金屬帽數目，預期接近于分子410的表面等離子體激元的激勵的增加將在SERS中增強來自分子410的信號。因此，本發(fā)明的實施例提供了用于表面增強發(fā)光、例如用于SERS的自動布置、發(fā)光增強器件101，不限于此?，F在參考圖6A、6B和6C，依照本發(fā)明的仍其他實施例，分別示出了自動布置、發(fā)光增強器件101的各種制造階段處的圖I的自動布置、發(fā)光增強器件101的橫截面正視圖600A、600B和600C。圖6A、6B和6C說明了在自動布置、發(fā)光增強器件101的制造中使用的處理操作序列。圖6A示出了在其上面制造自動布置、發(fā)光增強器件101的結構的其余部分的襯底110。依照本發(fā)明的實施例，襯底可以是選自由硅、玻璃、石英、氮化硅、藍寶石、氧化鋁、金剛石、類似于金剛石的碳、一個或多個塑料以及一個或多個金屬和金屬合金組成的組的材料。依照本發(fā)明的實施例，襯底可以采取選自由片材、晶片、膜和網組成的組的形式。例如，如果襯底采取網的形式，則可以使用襯底作為原料、如卷到卷制造過程中的材料卷。針對另一示例，襯底可以采取由塑料材料、諸如聚酰亞胺、聚乙烯、聚丙烯或某個其他適當聚合物塑料組成的柔性聚合物膜的形式。因此，依照本發(fā)明的實施例，襯底可以是剛性的，就半導體晶片而言，或者是柔性的，就網而言?，F在進一步參考圖6B和1，依照本發(fā)明的實施例，示出了在制造的中間階段處的圖I的自動布置、發(fā)光增強器件101的橫截面正視圖600B。圖6B示出了襯底110上的多個柔性柱610、例如柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A。多個柔性柱610中的每個柔性柱、例如柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A包括多個頂點620中的頂點，例如頂點120-1C、120-2C、120-3C、120-4C和120-5C。依照本發(fā)明的實施例，可以利用選自由在襯底110上生長納米線、蝕刻襯底110、在襯底110上納米壓印涂層以及在襯底110上熱納米壓花涂層組成的組的工藝來產生所述多個柔性柱610。例如，在生長納米線以產生柔性柱時，向襯底110、例如硅中沉積納米線籽晶(seed);以及在從硅烷進行化學汽相沉積期間生長納米線。以另一示例的方式，在蝕刻襯底以產生柔性柱時，向例如硅的襯底110施加反應性離子蝕刻(RIE)工藝；以及，通過在存在氣態(tài)氮、氬或氧的情況下經由反應性氣態(tài)種類的作用來從襯底110去除材料而產生例如納米圓錐形式的柔性柱，不限于此，所述反應性氣態(tài)種類諸如氟、氯、溴或鹵素。以又另一示例的方式，在納米壓印襯底以產生柔性柱時，向例如網形式的襯底110施加高粘性薄膜，例如高度交聯聚合物，以在網上產生涂層；以及通過使網在一對輥子之間滾動來產生例如納米柱形式的柔性柱，不限于此，所述一對輥子中的一個是管芯，其具有被壓印至網的高粘性薄膜涂層中的凸紋圖案，在網、襯底110上以多個納米柱的形式留下管芯的凸紋圖案的反面。以又另一示例的方式，當在襯底110上熱納米壓花涂層時，向襯底110施加聚合物或塑料以在襯底110上產生涂層；以及通過用管芯熱壓花涂層來產生例如納米柱形式的柔性柱，不限于此，所述管芯具有被壓印到聚合物或塑料中的凸紋圖案，其涂敷襯底110，在襯底110上以多個納米柱的形式留下管芯的凸紋圖案的負面。 現在進一步參考圖6C和1，依照本發(fā)明的實施例，示出了接近制造的最后階段的圖I的自動布置、發(fā)光增強器件101的橫截面正視圖600C。圖6C示出了襯底110上的多個柔性柱狀結構120，例如柔性柱狀結構120-1、120-2、120-3、120-4和120-5。每個柔性柱狀結構、例如柔性柱狀結構120-1、120-2、120-3、120-4和120-5包括多個柔性柱610中的柔性柱，例如柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A，以及多個金屬帽630中的金屬帽，例如金屬帽120-1B、120-2B、120-3B、120-4B和120-5B，使得每個金屬帽被設置在多個頂點620中的頂點上，分別地例如頂點120-1C、120-2C、120-3C、120-4C和120-5C。依照本發(fā)明的實施例，可以利用選自由對金屬帽、例如金屬帽120-1B進行蒸發(fā)、對金屬帽進行電鍍、從金屬納米顆粒的膠態(tài)懸浮體沉淀金屬帽、將沉積金屬層的一部分剝離以形成金屬帽并通過高能粒子轟擊來減少吸附的金屬-有機化合物以形成金屬帽組成的組的工藝來產生多個柔性柱狀結構120。例如，進一步參考圖6C和1，依照本發(fā)明的實施例，在蒸發(fā)以產生金屬帽時，使用薄膜真空蒸發(fā)技術來產生一股金屬蒸汽640，以將金屬沉積到多個610柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A 和 120-5A 的多個頂點 620 上。多個 630 金屬帽 120-1B、120-2B、120-3B、120-4B 和 120-5B 是從向多個 610 柔性柱 120-1A、120-2A、120-3A、120-4A 和 120-5A的多個620頂點120-1C、120-2C、120-3C、120-4C和120-5C上沉積金屬的金屬蒸氣生長的。依照本發(fā)明的實施例，制造多個金屬帽630可以包括以與襯底110的表面成約30°的角度650 向多個 610 柔性柱 120-1A、120-2A、120-3A、120-4A 和 120-5A 的多個 620 頂點 120-1C、120-2C、120-3C、120-4C和120-5C上蒸發(fā)金屬。此外，依照本發(fā)明的實施例，可以通過限制在蒸發(fā)過程期間從金屬蒸汽沉積的材料的量來控制金屬帽120-1B、120-2B、120-3B、120-4B和120-5B的尺寸和因此的間距。以另一示例的方式，進一步參考圖6C和1，依照本發(fā)明的實施例，在對金屬帽進行電鍍時，將包括柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A的襯底110浸沒在包含金屬陽離子的電鍍溶液中。向包括柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A的襯底110施加電勢，這在柔性柱、例如柔性柱120-1A的頂點、例如頂點120-1C處導致增強型電場。增強型電場將金屬陽離子吸引到柔性柱、例如柔性柱120-1A的頂點，例如頂點120-1C，在那里發(fā)生金屬陽離子的化學還原，并且沉積金屬以生長金屬帽，例如金屬帽120-1B。類似地，以另一示例的方式，進一步參考圖6C和1，依照本發(fā)明的實施例，在從金屬納米顆粒的膠態(tài)懸浮體沉淀金屬帽時，將包括柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A的襯底110浸沒在金屬納米顆粒的膠態(tài)懸浮體中；向包括柔性柱120-1AU20-2A、120-3AU20-4A和120-5A的襯底110施加電勢，這在柔性柱、例如柔性柱120-1A的頂點、例如頂點120-1C處導致增強型電場；該增強型電場將來自膠態(tài)懸浮體的金屬納米顆粒吸引到柔性柱、例如柔性柱120-A的頂點，例如頂點120-1C，在那里，沉積金屬納米顆粒以生長金屬帽，例如金屬帽120-1B。 以又另一示例的方式，進一步參考圖6C和1，依照本發(fā)明的實施例，在用于將所沉積金屬層的一部分剝離以產生金屬帽的剝離過程中，向包括柔性柱120-1AU20-2A、120-3AU20-4A和120-5A的襯底110施加一層光刻膠。在鄰近于柱的側面的光刻膠中產生底切結構，并且將光刻膠從柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A的頂點120-1C、120-2C、120-3C、120-4C和120-5C蝕刻掉。使用例如濺射或蒸發(fā)的薄膜沉積技術將一股金屬蒸汽640沉積到多個610柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A的多個620頂點上。在組合光刻膠的表面上沉積薄膜并部分地制造自動布置、發(fā)光增強器件101。然后去除光刻膠和在柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A之間粘附于光刻膠的金屬層部分，并且留下多個630金屬帽120-1B、120-2B、120-3B、120-4B和120-5B，其粘附于多個 610 柔性柱 120-1A、120-2A、120-3A、120-4A 和 120-5A 的多個 620 頂點 120-1C、120-2C、120-3C、120-4C和 120-5C。以又另一示例的方式，進一步參考圖6C和1，依照本發(fā)明的實施例，在通過高能粒子轟擊來減少吸附的金屬-有機化合物以產生金屬帽120-1B、120-2B、120-3B、120-4B和120-5B時，使包括柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A的襯底110暴露于承載金屬一半的化學化合物的蒸汽，例如在化學汽相沉積(CVD)中使用的金屬-有機化合物。例如，可以以被允許到真空室、諸如聚焦離子束(FIB)工具的真空室、掃描電子顯微鏡(SEM)或激光燒蝕系統(tǒng)的靶室的氣體的形式提供金屬-有機化合物，不限于此?？梢允褂帽粚拥秸婵帐业倪m當氣體注入系統(tǒng)(GIS)來提供承載金屬一半、金屬-有機化合物的化學蒸汽。金屬-有機化合物的氣態(tài)蒸汽吸附在襯底110的表面上，其包括柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A 和 120-5A 的頂點 120-1C、120-2C、120-3C、120-4C 和 120-5C。例如離子、電子或光子(不限于此)的粒子高能射束照射柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和120-5A的頂點120-1C、120-2C、120-3C、120-4C和120-5C?？梢岳缬蒄IB工具的離子槍、SEM的電子槍或激光燒蝕系統(tǒng)的激光器(不限于此)來提供例如離子、電子或光子(不限于此)的粒子的此類高能射束。例如離子、電子或光子(不限于此)的粒子的高能射束減少了金屬-有機化合物的所吸附氣態(tài)蒸汽，并向多個610柔性柱120-1A、120-2A、120-3A、120-4A和 120-5A 的多個 620 頂點 120-1C、120-2C、120-3C、120-4C 和 120-5C 上生長多個 630 金屬帽 120-1B、120-2B、120-3B、120-4B 和 120-5B。現在參考圖7，依照本發(fā)明的實施例，示出了用于制造用于表面增強發(fā)光的自動布置、發(fā)光增強器件的方法的流程圖700。用于制造用于表面增強發(fā)光的自動布置、發(fā)光增強器件的方法包括以下各項。在710處，提供襯底。在720處，在襯底上產生多個柔性柱。依照本發(fā)明的實施例，在襯底上產生多個柔性柱可以包括如前所述的選自由在襯底上生長納米線、蝕刻襯底、在所述襯底上熱納米壓花涂層以及在襯底上納米壓印涂層組成的組的工藝。在730處，在多個柔性柱的多個頂點上制造多個金屬帽，使得多個柔性柱由允許多個柔性柱中的至少一個柔性柱和第二柔性柱在分子被接近于至少一個金屬帽和第二金屬帽設置的情況下自動布置成具有分子的緊密封裝配置的材料組成，并且該金屬帽和第二金屬帽由在分子被接近于至少一個金屬帽設置的情況下增強分子的發(fā)光的材料組成。另外，依照本發(fā)明的實施例，制造多個金屬帽可以包括如前所述的選自由對金屬帽進行蒸發(fā)、對金屬帽進行電鍍、從金屬納米顆粒的膠態(tài)懸浮體沉淀金屬帽、剝離所沉積金屬層的部分以形成金屬帽以及通過高能粒子轟擊來減少所吸附金屬-有機化合物以形成金屬帽組成的組的工藝。此外，依照本發(fā)明的實施例，制造多個金屬帽還可以包括以與襯底表面成約30 °的角度將金屬蒸發(fā)到多個柔性柱的多個頂點上，如前所述。本發(fā)明的實施例包括自動布置、發(fā)光增強器件101，其能夠在表面增強發(fā)光期間 提供用于分子存在的增強的靈敏度。此外，本發(fā)明的實施例提供了用于與溶液中的分子相關聯的分析物的表面增強發(fā)光的較低可檢測性極限。例如，本發(fā)明的實施例提供了分子的SERS分析中的較低可檢測性極限。因此，由于由本發(fā)明的實施例提供的用于分子檢測的增強靈敏度和可檢測性極限，本發(fā)明人預期本發(fā)明的實施例在至少醫(yī)學、環(huán)境、化學以及生物技術中的新的應用，不限于此。本發(fā)明的特定實施例的前述說明已經出于圖示和說明的目的提出的。其并不意圖是排他性的或使本發(fā)明局限于所公開的精確形式，并且鑒于上述講授內容，可以有許多修改和變更。選擇和描述本文所述的實施例是為了最好地解釋本發(fā)明的原理及其實際應用以從而使得本領域的技術人員能夠最好地利用本發(fā)明和各種實施例，具有適合于預期的特定使用的各種修改?？赡芤鈭D在于由所附權利要求及其等價物來限定本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.一種用于表面增強發(fā)光的自動布置、發(fā)光增強器件101，所述器件101包括襯底110 ;以及多個120柔性柱狀結構，所述多個120中的柔性柱狀結構120-1包括；柔性柱120-1A ;以及金屬帽120-1B，其被耦合到所述柔性柱120-1A的頂點120-1C ；其中，所述多個柔性柱狀結構120中的至少所述柔性柱狀結構120-1和第二柔性柱狀結構120-2被配置成自動布置成具有被設置在各自柔性柱狀結構120-1和第二柔性柱狀結構120-2的至少所述金屬帽120-1B和第二金屬帽120-2B之間的至少一個分子220-1的緊密封裝配置。
2.權利要求I的自動布置、發(fā)光增強器件101,其中，多個金屬帽630中的至少一個金屬帽120-1B被配置成增強來自緊密接近于所述金屬帽120-1B設置的分子220-1的發(fā)光。
3.權利要求I的自動布置、發(fā)光增強器件101，其中，所述多個金屬帽630中的至少一個金屬帽120-1B由選自由銅、銀、鋁和金或銅、銀、鋁和金的任何組合組成的組的組分組成。
4.權利要求I的自動布置、發(fā)光增強器件101，其中，所述多個柔性柱狀結構120的柔性柱還包括選自由高度交聯UV可固化聚合物、高度交聯熱可固化聚合物、高度交聯UV可固化塑料、高度交聯熱可固化塑料、聚硅氧烷化合物、硅、二氧化硅、氮化硅、金剛石、類似于金剛石的碳、旋壓玻璃、溶膠_凝膠材料、氧化鋅、氧化鋁、藍寶石和二氧化鈦組成的組的柔性材料。
5.權利要求I的自動布置、發(fā)光增強器件101，其中，所述多個柔性柱狀結構120的金屬帽120-1B被配置成結合到緊密接近于所述金屬帽120-1B設置的分子220-1。
6.權利要求I的自動布置、發(fā)光增強器件101，其中，至少一個柔性柱120-1A被配置成朝著至少第二柔性柱120-2A彎曲，并且以將所述分子220-1設置為緊密接近于所述第二柔性柱120-2A上的至少第二金屬帽120-2B。
7.權利要求6的自動布置、發(fā)光增強器件101，其中在所述金屬帽120-1B和第二金屬帽120-2B之間的具有被設置在所述金屬帽120-1B和第二金屬帽120-2B之間的分子220-1 的所述緊密封裝配置的間距340是由所述分子220-1與所述金屬帽120-1B和第二金屬帽 120-2B之間的結合力的平衡確定的，恢復由于所述柔性柱120-1A和第二柔性柱120-2A朝向所述分子220-1的位移，由所述柔性柱120-1A和第二柔性柱120-2A施加的力。
8.權利要求6的自動布置、發(fā)光增強器件101，其中，所述柔性柱120-1A被配置成在由流體載體210的去除引發(fā)的微毛細管力的作用下朝著所述第二柔性柱120-2A彎曲，流體載體210被提供為將所述分子220-1載送至與所述金屬帽120-1B和第二金屬帽120-2B緊密接近。
9.一種用于制造用于表面增強發(fā)光的自動布置、發(fā)光增強器件101的方法，所述方法包括710提供襯底110 ；720在所述襯底110上產生多個柔性柱610 ;以及730在所述多個柔性柱610的多個頂點620上制造多個金屬帽630 ；其中，所述多個柔性柱610由允許所述多個柔性柱610中的至少柔性柱120-1A和第二柔性柱120-2A在分子220-1被接近于至少金屬帽120-1B和第二金屬帽120-2B設置的情況下自動布置成具有分子220-1的緊密封裝配置的材料組成，并且所述金屬帽120-1B和所述第二金屬帽120-2B由在所述分子220-1被接近于至少一個所述金屬帽120-1B設置的情況下增強所述分子220-1的發(fā)光的材料組成。
10.如權利要求9所述的方法，其中，所述在所述襯底110上產生多個柔性柱610包括選自由在所述襯底Iio上生長納米線、蝕刻所述襯底110、在所述襯底110上熱納米壓花涂層以及在所述襯底110上納米壓印涂層組成的組的工藝。
11.如權利要求9所述的方法，其中，所述制造所述多個金屬帽630包括選自由對金屬帽120-1B進行蒸發(fā)、對金屬帽120-1B進行電鍍、從金屬納米顆粒的膠態(tài)懸浮體沉淀金屬帽 120-1B、剝離所沉積金屬層的部分以形成金屬帽120-1B、以及通過高能粒子轟擊來減少所吸附金屬_有機化合物以形成金屬帽120-1B組成的組的工藝。
12.如權利要求9所述的方法，其中，所述制造所述多個金屬帽630包括以與所述襯底 110的表面成約30°的角度650將金屬蒸發(fā)到所述多個柔性柱610的多個頂點上620。
13.—種光學設備501,包括光學部件502，包括用于表面增強發(fā)光的自動布置、發(fā)光增強器件101，所述器件101包括；襯底110 ;以及多個120柔性柱狀結構，所述多個120中的柔性柱狀結構120-1包括；柔性柱120-1A ;以及金屬帽120-1B，其被耦合到所述柔性柱120-1A的頂點120-1C ；其中，所述多個柔性柱狀結構120中的至少所述柔性柱狀結構120-1和第二柔性柱狀結構120-2被配置成自動布置成具有被設置在各自柔性柱狀結構120-1和第二柔性柱狀結構120-2的至少所述金屬帽120-1B和第二金屬帽120-2B之間的至少一個分子220-1的緊密封裝配置，并增強來自所述分子220-1的發(fā)光。
14.如權利要求13所述的光學設備501,所述光學部件502選自由反射鏡、光柵、波導以及分析單元組成的組。
15.如權利要求13所述的光學設備501,還包括光譜儀，所述光譜儀被配置成接納用于執(zhí)行所述分子220-1的表面增強拉曼光譜的所述光學部件502。
全文摘要
一種用于表面增強發(fā)光的自動布置、發(fā)光增強器件101。用于表面增強發(fā)光的自動布置、發(fā)光增強器件101包括襯底110以及多個柔性柱狀結構120。多個120中的柔性柱狀結構120-1包括柔性柱120-1A以及被耦合到柔性柱120-1A的頂點120-1C的金屬帽120-1B。至少柔性柱狀結構120-1和第二柔性柱狀結構120-2被配置成自動布置成具有被設置在各自柔性柱狀結構120-1和第二柔性柱狀結構120-2的至少金屬帽120-1B和第二金屬帽120-2B之間的至少一個分子220-1的緊密封裝配置。
文檔編號G01N21/65GK102947681SQ201080066326
公開日2013年2月27日 申請日期2010年4月20日 優(yōu)先權日2010年4月20日
發(fā)明者Z.李, M.胡, F.S.區(qū), W.吳 申請人:惠普發(fā)展公司，有限責任合伙企業(yè)