多构型周期性金属纳米结构的微纳融合制造及其SPR耦合效应研究

针对目前复杂构型的周期性金属纳米结构难以低成本、批量化制备的问题，本项目通过创新性的微纳融合工艺研发多构型金属纳米结构阵列的可控制备技术，探讨新型金属纳米结构体系中与SPR性能相关的基础科学问题，为周期性金属纳米结构在生化传感、亚波长光刻中的应用提供理论和应用依据。主要内容为：深入研究跨尺度制造中的多工艺耦合过程，实现纳米球光刻技术、复合膜工艺、等离子体辅助修饰技术、硅刻蚀工艺等微纳制造技术的有机融合；研究跨尺度制造中微纳结构多层次多界面演变的规律，探索复杂构型纳米结构的生长和调控机制，实现多构型金属纳米结构的形貌和尺寸可控生长；研究微纳融合制造工艺中误差耦合机理，解决金属纳米结构阵列制备的一致性重复性等关键问题，实现大面积多构型纳米结构的可控制造，进而研究纳米结构材质、形貌、尺寸、纳间隙、点距等参数对SPR耦合效应的影响规律。该研究成果将为微纳结构的跨尺度集成制造提供新思路。

针对目前复杂构型周期性金属纳米结构低成本、批量化制备困难的问题，本项目通过创新性的微纳融合工艺研发多构型金属纳米结构阵列的可控制备技术和其SPR效应。研究内容主要包括以下四方面：（1）针对可控制备的关键问题即大面积、周期性纳米球的旋涂工艺，研究了多物理场作用下纳米尺度胶体晶体自组装机理，深入系统地研究了尺寸范围从200 nm到1300nm的任取尺寸的聚苯乙烯纳米球旋涂的工艺方法。实现了晶圆级纳米球胶体晶粒的粒径、晶向、层数的可控制备；提出利用圆片任意四点反射率曲线重叠的特性验证胶体晶体膜均匀性的表征方法。（2）针对多构型纳米结构制备工艺的重复性、一致性的问题，项目建立了大面积、多构型、周期性金属纳米结构阵列的制备工艺体系，并实现具有纳尖端、纳间隙等特征的三类周期性纳米结构的可控制备，成功制备出纳米圆型、椭圆型、月牙型、马蹄型、金字塔型、三角形等多形貌的孔阵列以及金字塔型、屋脊型、圆锥型、碗中颗粒型等纳米颗粒阵列。（3）SPR耦合电磁场增强机理是表面增强拉曼散射（SERS）以及超强光透射（EOT）等纳米效应产生的重要机理，项目利用时域有限差分算法（FDTD）研究了复杂构型纳米结构SPR耦合效应调控机制。研究了具有尖端的纳米带结构参数与SERS效应的关系；揭示了纳米结构形貌参数对超强光透射（EOT）等光学效应的影响规律；仿真分析了圆形、方形、三角形金属纳米孔阵列的透射特性，研究发现具有尖角的三角形孔结构EOT效应较强。另外，通过实验和FDTD仿真手段研究了倒金字塔结构的减反射特性。拉曼测试分析表明所制备的纳米结构阵列的电磁场增强效应可大幅提高其SERS检测灵敏度。对于研发SPR传感器具有重要意义。（4）项目拓展了基于贵金属周期性纳米结构阵列SERS效应的生化检测应用。最终实现了百草枯农药残留、三聚氰胺、TNT、重金属离子、TSH等生化物质分子的高灵敏检测。以上研究内容对于制备具有特定SPR耦合效应的金属纳米结构体系、研发新型纳米器件方面取得突破性进展，具有深远的意义。