熒光自發(fā)輻射作為自然界中基本的光發(fā)射現(xiàn)象之一，在多個領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。常見的點光源如染料、量子點、稀土離子和色心等構(gòu)成了熒光自發(fā)輻射的基本單位，而其他照明設(shè)備如LED則可被視為由隨機取向點光源組成的熒光發(fā)光系統(tǒng)。在生物傳感與成像、高分辨率顯示、光通信、光磁學(xué)以及量子技術(shù)等眾多應(yīng)用中，強熒光信號的需求日益增長。為了提升熒光信號強度，將熒光發(fā)射體與等離子體納米天線(NA)耦合以利用金屬增強熒光(MEF)效應(yīng)成為一種有效策略。等離子體納米天線能夠?qū)⑷肷涔庀拗圃谏顏啿ㄩL體積內(nèi)，形成具有強局部電磁場的熱點區(qū)域，從而顯著提高熒光發(fā)射體的激發(fā)率；同時它還能調(diào)控發(fā)射體附近的局部光學(xué)態(tài)密度(LDOS)，在自發(fā)輻射過程中建立更多衰變通道，進而調(diào)整熒光衰變速率和方向性。在各類納米天線結(jié)構(gòu)中，間隙等離子體展現(xiàn)出特別的熒光增強潛力，因為兩個相鄰組分之間的微小間隙區(qū)域能夠產(chǎn)生遠超單個組分的巨量局部電磁場。

然而傳統(tǒng)具有C2v對稱性的納米天線結(jié)構(gòu)（如二聚體或蝶形結(jié)構(gòu)）存在嚴重的偏振依賴性問題，這在實際應(yīng)用中帶來了顯著挑戰(zhàn)。這類結(jié)構(gòu)只有在入射光偏振方向與納米天線主軸及熒光發(fā)射體取向完全一致時才能實現(xiàn)最大熒光增強，而當(dāng)偏振方向偏離主軸時，耦合效率急劇下降，在相互正交狀態(tài)下幾乎完全消失。這種高度偏振依賴的特性與實際應(yīng)用場景存在根本性矛盾，因為常規(guī)熒光光譜儀通常使用非偏振氙燈作為光源，而熒光發(fā)射體在自然狀態(tài)下也是隨機取向的。雖然發(fā)射體方向工程技術(shù)與偏振激發(fā)光源在理論上可行，但它們需要在分子水平上進行精細復(fù)雜的操作，且整個系統(tǒng)體積龐大，難以適用于床邊檢測(POCT)和快速診斷免疫測定等實際應(yīng)用場景。盡管具有C4v對稱性的納米結(jié)構(gòu)（如環(huán)形諧振器、靶心結(jié)構(gòu)和納米十字結(jié)構(gòu)）理論上可提供偏振無關(guān)的共振模式，但納米十字結(jié)構(gòu)的制造面臨嚴重挑戰(zhàn)——電子束光刻過程中的鄰近效應(yīng)使得實現(xiàn)小間隙尺寸極為困難。傳統(tǒng)區(qū)域曝光方法通常只能實現(xiàn)大于50納米的間隙尺寸，而這種尺寸對于產(chǎn)生強等離子體耦合效應(yīng)和實現(xiàn)顯著熒光增強來說過大，嚴重限制了C4v對稱性納米結(jié)構(gòu)在實際熒光增強應(yīng)用中的潛力。

針對上述問題，由中國工程物理研究院、湖南大學(xué)以及武漢理工大學(xué)組成的聯(lián)合團隊利用澤攸科技ZEL304G電子束光刻機進行了系統(tǒng)研究，他們開發(fā)了一種基于同心輪廓曝光策略的C4v對稱性等離子體納米十字天線陣列制造工藝，成功克服了傳統(tǒng)電子束光刻中的鄰近效應(yīng)問題，實現(xiàn)了小間隙（約30納米）納米結(jié)構(gòu)的精確制備，使該納米十字天線陣列與底部金薄膜形成的金屬-絕緣體-金屬腔體能夠在任意偏振入射光條件下提供平均超過50倍的均勻熒光增強效果。相關(guān)成果以“Empowering Polarization-Independent Fluorescence Enhancement with a C4v-Symmetry Plasmonic Nanocross Antenna Array”為題發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上。

該研究致力于解決傳統(tǒng)等離子體納米天線在實際熒光增強應(yīng)用中面臨的兩大核心難題：嚴重的偏振依賴性和難以實現(xiàn)的小間隙制造。研究人員設(shè)計并成功制備了一種具有C4v對稱性的等離子體納米十字天線陣列，旨在為任意取向的熒光發(fā)射體提供偏振無關(guān)的高效熒光增強。這種納米十字結(jié)構(gòu)由兩個正交的蝶形天線組成，其獨特的對稱性使其能夠?qū)⑷我馄穹较虻娜肷涔夥纸獠Ⅰ詈系絻蓚€正交的主軸上，從而無論光源偏振方向如何或熒光分子取向如何，都能實現(xiàn)穩(wěn)定且高效的激發(fā)。為了進一步提升性能，該器件采用了金屬-絕緣體-金屬（MIM）腔體結(jié)構(gòu)，即在頂層的納米十字陣列與底層的金薄膜之間引入二氧化硅間隔層。這種設(shè)計不僅增強了局域電磁場，還顯著擴大了“熱點”區(qū)域，使其不僅局限于天線間隙，還覆蓋了四個天線臂的周圍，從而提升了平均熒光增強效果。

圖 1. 所提出的納米十字天線陣列示意圖。頂層金納米天線與底層金薄膜形成金屬 - 絕緣體 - 金屬腔，以進一步增強光與物質(zhì)的相互作用，從而獲得更強的熒光增強效果。分散在水溶液中的 Cy5.5 染料通過旋涂覆蓋在納米天線陣列表面。圓偏振入射光用于等效激發(fā)任意取向的熒光發(fā)射器。

然而實現(xiàn)這一設(shè)計的最大障礙在于納米制造，特別是電子束光刻過程中的“鄰近效應(yīng)”。在傳統(tǒng)的區(qū)域曝光方法中，整個天線臂區(qū)域被一次性曝光，這會導(dǎo)致電子在抗蝕劑中散射，使得天線間隙處的曝光劑量過高，極易導(dǎo)致相鄰臂在顯影后粘連，無法形成所需的納米級小間隙。為攻克此難題，研究團隊開發(fā)了一種創(chuàng)新的“同心輪廓曝光”策略，并輔以低溫顯影技術(shù)。該策略不再對整個天線臂進行一次性曝光，而是將其分解為一系列緊密排列的同心輪廓線，逐條進行曝光。由于每次曝光的只是結(jié)構(gòu)的一小部分，外輪廓線受到的鄰近效應(yīng)遠弱于傳統(tǒng)方法，從而有效抑制了間隙區(qū)域的過度曝光。同時，低溫顯影提高了顯影過程的對比度和選擇性，使圖案轉(zhuǎn)移更加準確。

圖2. (a) 納米十字陣列的等離子體共振覆蓋了Cy5.5染料的激發(fā)和發(fā)射波長。(b) 金屬-絕緣體-金屬（MIM）結(jié)構(gòu)與純納米天線（NA）結(jié)構(gòu)的電場增強|E/E?|2對比，MIM的增強效果高出30%。(c) 698 nm處電場分布的俯視圖和側(cè)視圖，較大的局部電場增強不僅在間隙區(qū)域產(chǎn)生，還在四個天線臂周圍形成，擴大了熱點區(qū)域。(d) 納米十字陣列的多極展開，相鄰臂之間的耦合產(chǎn)生了較大的電四極矩（EQ）貢獻，而相對臂之間的相互作用則帶來了可觀的電偶極矩（ED）和磁偶極矩（MD）貢獻。(e) 具有C4v對稱性的納米十字陣列，無論發(fā)射器取向如何，都能實現(xiàn)偏振無關(guān)的熒光增強，與具有C2v對稱性的蝴蝶結(jié)結(jié)構(gòu)相比，其平均熒光增強效果更顯著。為實現(xiàn)優(yōu)化的熒光增強，采用了以下設(shè)計參數(shù)：周期（P）=300 nm，間隙尺寸（D）=30 nm，寬度（W）=70 nm，長度（L）=30 nm，高度（H）=90 nm，T?=40 nm，T?=100 nm，T?=150 nm。金的光學(xué)特性來自實驗測量，二氧化硅和水介質(zhì)的折射率分別設(shè)定為1.5和1.33。將單個偶極發(fā)射器置于間隙中心，以評估熒光增強性能。

在此過程中，澤攸科技的ZEL304G電子束光刻機扮演了不可或缺的關(guān)鍵角色。作為高精度納米加工的核心設(shè)備，這臺電子束光刻機提供了實現(xiàn)“同心輪廓曝光”策略所必需的超高分辨率和精確的電子束控制能力。研究團隊正是利用這臺設(shè)備，以20 keV的加速電壓和15 pA的束流，精確地按照預(yù)先設(shè)計的同心輪廓路徑對PMMA抗蝕劑進行掃描曝光。正是這種設(shè)備級別的精確操控，使得研究團隊能夠突破傳統(tǒng)工藝的限制，成功制造出間隙尺寸約為30納米的高質(zhì)量納米十字陣列，且在整個300×300的陣列上保持了優(yōu)異的一致性和可重復(fù)性。

圖3.（a）納米十字陣列的一般制備流程。（b）同心輪廓電子束光刻（EBL）方案的示意圖。與對納米天線（NA）整個區(qū)域進行曝光的傳統(tǒng)方法相比，該方案通過曝光一系列輪廓線來適當(dāng)控制每次的曝光區(qū)域，從而在實現(xiàn)小納米天線間隙的同時保持天線臂的尖銳尖端。（c）所制備納米十字陣列的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，該陣列由 300×300 個納米十字天線組成。在整個陣列上實現(xiàn)了約 30 nm 的小納米天線間隙，且具有良好的一致性和可重復(fù)性。

該研究展示了在非偏振氙燈照射下，整個納米十字天線陣列上實現(xiàn)了平均超過50倍的均勻熒光增強效果，且這一增強效果與入射光偏振方向完全無關(guān)。通過反射光譜測量、散射型近場光學(xué)顯微鏡成像和熒光映射等多種表征手段，研究團隊全面驗證了該結(jié)構(gòu)的偏振無關(guān)特性和優(yōu)異的熒光增強性能。這項工作不僅解決了等離子體納米天線在實際應(yīng)用中的關(guān)鍵瓶頸問題，還為在寬松照明條件下進行納米光子傳感開辟了新途徑，特別適用于床邊檢測和快速診斷免疫測定等實際應(yīng)用場景，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

圖4. (a) 納米十字陣列在水介質(zhì)中的實測反射光譜，該光譜與模擬結(jié)果一致。(b) 不同線偏振入射光下的反射光譜。無論入射偏振角如何，都觀察到一致的反射光譜，明顯表明納米十字結(jié)構(gòu)具有偏振無關(guān)的等離子體共振特性，數(shù)據(jù)變化通常在10%以下。(c) 納米十字天線的散射型掃描近場光學(xué)顯微鏡（s-SNOM）圖像。在間隙區(qū)域和天線臂周圍都存在較大的局部電場增強，擴大了用于熒光增強的熱點區(qū)域。(d) 旋涂Cy5.5染料后的光致發(fā)光（PL）映射圖像。在整個納米天線陣列上發(fā)現(xiàn)了均勻的熒光增強。(e) 非偏振氙燈照射下的平均熒光增強光譜。實現(xiàn)了超過50倍的平均熒光增強因子。

澤攸科技ZEL304G電子束光刻機（EBL）是一款高性能、高精度的光刻設(shè)備，專為半導(dǎo)體晶圓的高速、高分辨率光刻需求設(shè)計。該系統(tǒng)采用先進的場發(fā)射電子槍，結(jié)合一體化的高速圖形發(fā)生系統(tǒng)，確保光刻質(zhì)量優(yōu)異。標(biāo)配的高精度激光干涉樣品臺能夠滿足大行程高精度拼接和套刻需求，為復(fù)雜實驗和生產(chǎn)任務(wù)提供可靠支持。其核心優(yōu)勢在于卓越的成像能力和靈活的掃描模式，可實現(xiàn)多種矢量掃描方式，包括順序掃描、循環(huán)掃描和螺旋型掃描，同時支持多圖層自動曝光與場校準功能，滿足多樣化的工藝要求。此外，設(shè)備兼容多種圖形文件格式，并可通過選配附件（如UPS不間斷電源和主動減震臺）進一步提升運行穩(wěn)定性。