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，在多個領域具有重要應用價值。常見的點光源如染料、量子點、稀土離子和色心等構成了熒光自發(fā)輻射的基本單位，而其他照明設備如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、光磁學以及量子技術等眾多應用中，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)效應成為一種有效策略。等離子體納米天線能夠將入射光限制在深亞波長體積內(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；同時它還能調控發(fā)射體附近的局部光學態(tài)密度(LDOS)，在自發(fā)輻射過程中建立更多衰變通道，進而調整熒光衰變速率和方向性。在各類納米天線結構中，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構（如二聚體或蝶形結構）存在嚴重的偏振依賴性問題，這在實際應用中帶來了顯著挑戰(zhàn)。這類結構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用場景。盡管具有C4v對稱性的納米結構（如環(huán)形諧振器、靶心結構和納米十字結構）理論上可提供偏振無關的共振模式，但納米十字結構的制造面臨嚴重挑戰(zhàn)——電子束光刻過程中的鄰近效應使得實現(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對稱性納米結構在實際熒光增強應用中的潛力。

針對上述問題，由中國工程物理研究院、湖南大學以及武漢理工大學組成的聯(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問題，實現(xiàn)了小間隙（約30納米）納米結構的精確制備，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)射體提供偏振無關的高效熒光增強。這種納米十字結構由兩個正交的蝶形天線組成，其獨特的對稱性使其能夠將任意偏振方向的入射光分解并耦合到兩個正交的主軸上，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）腔體結構，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”。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。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構的一小部分，外輪廓線受到的鄰近效應遠弱于傳統(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）結構與純納米天線（NA）結構的電場增強|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)偏振無關的熒光增強，與具有C2v對稱性的蝴蝶結結構相比，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。金的光學特性來自實驗測量，二氧化硅和水介質的折射率分別設定為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鍵角色。作為高精度納米加工的核心設備，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備，以20 keV的加速電壓和15 pA的束流，精確地按照預先設計的同心輪廓路徑對PMMA抗蝕劑進行掃描曝光。正是這種設備級別的精確操控，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。通過反射光譜測量、散射型近場光學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構的偏振無關特性和優(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用中的關鍵瓶頸問題，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用場景，具有重要的科學意義和應用價值。

圖4. (a) 納米十字陣列在水介質中的實測反射光譜，該光譜與模擬結果一致。(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構具有偏振無關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、高精度的光刻設備，專為半導體晶圓的高速、高分辨率光刻需求設計。該系統(tǒng)采用先進的場發(fā)射電子槍，結合一體化的高速圖形發(fā)生系統(tǒng)，確保光刻質量優(yōu)異。標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，為復雜實驗和生產(chǎn)任務提供可靠支持。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。