近日，上海交通大學集成電路學院微米納米加工技術國家級重點實驗室臧法珩副教授團隊在納米制造領域取得重要進展，相關成果以“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用于高性能生物傳感領域。其中，納米等離子體光學器件在光學諧振條件下產(chǎn)生局部高場強“熱點”區(qū)域，提高了光場能量與生物/化學目標分子的相互作用效率，是近年來納米光學生物傳感器的研究熱點之一。而納米環(huán)作為等離子體光學器件的一種典型結構，以其鋪展式的表面光譜增強區(qū)域、自聚焦性的表面光學輻射模式和可調(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生物傳感結構。然而，傳統(tǒng)納米環(huán)結構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)新設計概念提出將間隙結構結合到傳統(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)形和納米間隙結構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天線陣列，以薄膜微納加工實現(xiàn)≤10納米線寬特征結構，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)和納米間隙三維結構特征，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以下的納米結構間隙，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)結構具有兩種光學共振模式，短波長共振峰對應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結構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)的三維納米天線結構在可見光和近紅外的寬光譜范圍內(nèi)同時表現(xiàn)出與其納米結構形態(tài)相耦合的可調(diào)控光學共振特征。本項研究中的全新納米光學結構，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納米結構制造新方法，更可被廣泛地用于納米級光學、電學新器件的高精度批量制造。
 

　　研究團隊
 

　　集成電路學院博士研究生王夢誠為該論文的第一作者，集成電路學院臧法珩副教授和未來技術學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、國家自然科學基金、上海市浦江人才、上海交大深藍計劃基金等項目資助。