近日，上海交通大學(xué)集成電路學(xué)院微米納米加工技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室臧法珩副教授團(tuán)隊(duì)在納米制造領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以“Narrow-Gap-Integrated Ring Arrays (GRA) as Ultrahigh Field-Enhancement Optical Resonators”(基于窄間隙集成環(huán)形陣列的超高場(chǎng)增強(qiáng)光學(xué)諧振腔)為題，在國(guó)際著名期刊《Advanced Functional Materials》上發(fā)表(Adv. Funct. Mater. 2025, 35, 2417739)。
 

　　研究背景
 

　　納米光子學(xué)器件的靈敏度高且信號(hào)讀取方式靈活，正在被越來越多地應(yīng)用于高性能生物傳感領(lǐng)域。其中，納米等離子體光學(xué)器件在光學(xué)諧振條件下產(chǎn)生局部高場(chǎng)強(qiáng)“熱點(diǎn)”區(qū)域，提高了光場(chǎng)能量與生物/化學(xué)目標(biāo)分子的相互作用效率，是近年來納米光學(xué)生物傳感器的研究熱點(diǎn)之一。而納米環(huán)作為等離子體光學(xué)器件的一種典型結(jié)構(gòu)，以其鋪展式的表面光譜增強(qiáng)區(qū)域、自聚焦性的表面光學(xué)輻射模式和可調(diào)節(jié)式的電場(chǎng)熱點(diǎn)空間分布等特性，已經(jīng)成為了一種備受青睞的光學(xué)生物傳感結(jié)構(gòu)。然而，傳統(tǒng)納米環(huán)結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)增強(qiáng)因子相對(duì)有限，難以進(jìn)一步提升傳感器的靈敏度。為改善該問題，分裂環(huán)、納米環(huán)對(duì)和多層納米環(huán)等創(chuàng)新設(shè)計(jì)概念提出將間隙結(jié)構(gòu)結(jié)合到傳統(tǒng)納米環(huán)中，已被證明可以將場(chǎng)增強(qiáng)因子顯著提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，如何通過低成本、大面積、過程可控的工藝路線實(shí)現(xiàn)納米環(huán)形和納米間隙結(jié)構(gòu)的一體化制造具有重要的研究意義。
 

　　亮點(diǎn)內(nèi)容
 

　　該研究提出了一種具有多波長(zhǎng)共振特性的三維納米光學(xué)天線陣列，以薄膜微納加工實(shí)現(xiàn)≤10納米線寬特征結(jié)構(gòu)，用于高靈敏度生物傳感和熒光成像增強(qiáng)。該納米天線陣列融合納米環(huán)和納米間隙三維結(jié)構(gòu)特征，實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)幅值和分布區(qū)域的同步提升。其核心納米制造方法基于金屬濺射和離子束刻蝕，適用于低成本批量制造特征尺寸在10nm以下的納米結(jié)構(gòu)間隙，而不依賴于電子束光刻或掃描探針光刻等高成本納米圖案化工藝。
 

窄間隙集成環(huán)形陣列樣品SEM圖、測(cè)試光譜圖及電場(chǎng)仿真圖
 

　　傳統(tǒng)納米環(huán)結(jié)構(gòu)具有兩種光學(xué)共振模式，短波長(zhǎng)共振峰對(duì)應(yīng)于反對(duì)稱偶極子模式，電場(chǎng)增強(qiáng)區(qū)域集中在環(huán)內(nèi)部。長(zhǎng)波長(zhǎng)共振峰對(duì)應(yīng)于偶極子模式，納米環(huán)外產(chǎn)生電場(chǎng)增強(qiáng)因子為700左右的電場(chǎng)區(qū)域。窄間隙集成環(huán)形陣列的測(cè)試光譜顯示其保持了雙共振峰的優(yōu)點(diǎn)，并且環(huán)間的亞10nm尺度的納米間隙實(shí)現(xiàn)了5.88×104量級(jí)的電場(chǎng)增強(qiáng)幅度(比傳統(tǒng)納米環(huán)高100倍)。
 

雙層納米環(huán)陣列SEM圖、測(cè)試光譜圖及電場(chǎng)仿真圖
 

　　由于SiO2介質(zhì)層的引入，雙層納米環(huán)在近紅外波段產(chǎn)生了新的共振模式，其共振峰的振幅表現(xiàn)出跟介質(zhì)層厚度的相關(guān)性，并且隨著SiO2層厚度的增加而表現(xiàn)出藍(lán)移。與單層環(huán)相比，雙層納米環(huán)可見光的消光率顯著提高。為了驗(yàn)證熒光增強(qiáng)能力，熒光分子標(biāo)記的抗體被化學(xué)交聯(lián)劑附著固定在雙層納米環(huán)表面，形成均勻的熒光團(tuán)層。相比于普通平面金襯底表面，納米環(huán)陣列將表面熒光強(qiáng)度提高了140倍左右。這項(xiàng)工作為納米級(jí)光學(xué)結(jié)構(gòu)制造提供了一種全新的批量化、高精度制造方法。運(yùn)用該方法實(shí)現(xiàn)的三維納米天線結(jié)構(gòu)在可見光和近紅外的寬光譜范圍內(nèi)同時(shí)表現(xiàn)出與其納米結(jié)構(gòu)形態(tài)相耦合的可調(diào)控光學(xué)共振特征。本項(xiàng)研究中的全新納米光學(xué)結(jié)構(gòu)，將被集成于下一代高靈敏度生物傳感和熒光成像系統(tǒng)；研究中開發(fā)的亞10nm納米結(jié)構(gòu)制造新方法，更可被廣泛地用于納米級(jí)光學(xué)、電學(xué)新器件的高精度批量制造。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)
 

　　集成電路學(xué)院博士研究生王夢(mèng)誠(chéng)為該論文的第一作者，集成電路學(xué)院臧法珩副教授和未來技術(shù)學(xué)院宿智娟助理研究員為該論文的共同通訊作者，該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市浦江人才、上海交大深藍(lán)計(jì)劃基金等項(xiàng)目資助。