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)國家級重點實驗室臧法珩副教授團隊在納米制造領(lǐng)域取得重要進展，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)形陣列的超高場增強光學(xué)諧振腔）為題，在國際著名期刊《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)生局部高場強“熱點”區(qū)域，提高了光場能量與生物/化學(xué)目標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)式的電場熱點空間分布等特性，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)的電場增強因子相對有限，難以進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)對和多層納米環(huán)等創(chuàng)新設(shè)計概念提出將間隙結(jié)構(gòu)結(jié)合到傳統(tǒng)納米環(huán)中，已被證明可以將場增強因子顯著提高兩個數(shù)量級。因此，如何通過低成本、大面積、過程可控的工藝路線實現(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。

亮點內(nèi)容

該研究提出了一種具有多波長共振特性的三維納米光學(xué)天線陣列，以薄膜微納加工實現(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。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，實現(xiàn)電場場強幅值和分布區(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、測試光譜圖及電場仿真圖

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

雙層納米環(huán)陣列SEM圖、測試光譜圖及電場仿真圖

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。為了驗證熒光增強能力，熒光分子標記的抗體被化學(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)陣列將表面熒光強度提高了140倍左右。這項工作為納米級光學(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。運用該方法實現(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光學(xué)、電學(xué)新器件的高精度批量制造。研究團隊集成電路學(xué)院博士研究生王夢誠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，該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、上海市浦江人才、上海交大深藍計劃基金等項目資助。