光学天线因其新颖的物理现象和对光场的收集、发射及调控能力受到研究人员的广泛关注,在微纳光场调控、增强拉曼散射和增强荧光、近场成像及近场光刻等领域都有重要应用。金属纳米颗粒和纳米结构的局域表面等离子体(LSPs)效应是决定光学天线性质的基础,具有高度场局域和场增强特性。本文基于光学天线可调制分子发光性能的特性,设计了两种耦合型天线结构,并应用于表面增强拉曼散射(SERS)实验。研究了两种耦合结构的近远场光学性质及其与结构参数之间的关系。另外,根据光学天线的近场局域功能,使用蝴蝶结形光学天线进行近场超分辨光刻研究。基于该天线的近场光学性质,引入干涉式空间位相成像(ISPI)技术对掩膜板和光刻胶基底进行测距、调平,最终实现大规模并行超分辨光刻。本论文工作对于发展制备简单、灵敏度高的SERS基底,及分辨率高、产率大、成本低廉、可靠性好的微纳制造技术均有重要意义。具体研究内容如下：1.设计并制备了具有纳米级间隙的银纳米球帽-纳米小孔耦合型光学天线结构并应用于SERS实验。该结构制备方法简单,成本低廉。将耦合结构与非耦合的银纳米球帽单元结构进行对比研究,结合数值模拟手段分析知银纳米球帽和纳米小孔边缘的间隙中存在LSPs耦合效应,使能量高度局域在间隙区域内,增强电场强度,从而产生更多“热点”和更高的SERS增强因子,导致SERS信号大幅增强。研究还发现耦合效应强弱与耦合距离密切相关,通过改变蒸镀银膜厚度可调节该结构的耦合间隙大小,从而能改变SERS信号的强度,这为人为调控SERS基底的工作性能提供了有效途径。2.设计并制备了准三维的银纳米立方体-银纳米小孔阵列耦合结构,并应用于SERS实验。银纳米立方体通过化学合成法制备。银纳米小孔阵列结构则通过在具有周期孔洞结构的阳极氧化铝(AAO)模板上蒸镀银获得。使用纳米级厚度的PMMA薄膜作为间隔层,将银立方体和银小孔阵列结构纵向叠加在一起获得耦合结构。SERS实验和数值模拟结果显示,该结构可将银立方体和银小孔阵列结构的LSPs有效耦合并局域于PMMA间隔层中,影响掺杂在PMMA中的拉曼分子激发和辐射过程,从而可获得1.1×108的SERS增强因子。一系列单变量对比实验证明耦合效应对间隔层厚度、银膜厚度、小孔孔径及孔间距等特征结构参数敏感,为该结构今后的实际应用提供了多样化的调控手段。3.研究基于蝴蝶结形光学天线的近场扫描超分辨光刻技术。根据蝴蝶结形光学天线的近场局域特性和光斑发散特性,设计掩膜板结构、调平准直体系和光刻工艺,建立了一套基于该天线的近场光刻系统。通过实验和理论分析,系统地研究了光刻胶特性、光源、扫描速度、润滑剂等各项实验条件对光刻效果的影响。经过实验参数优化,最终获得可见光曝光条件下线宽分别为78nm和106nm的一维和二维任意图形超分辨近场扫描光刻结果。4.为提高近场光刻的生产效率,进行大规模并行近场光刻研究。在光刻系统中引入ISPI技术,用于对掩膜板与光刻胶基底进行精密测距和调平。通过ISPI调平可获得0.02mrad的掩膜板-基底空间平行度。建立了反馈控制机制,有效控制系统噪声,提高光刻胶基底移动过程中的系统稳定性。利用ISPI技术精确控制光学天线的工作距离,可进一步提高光刻分辨率,获得最小19nm线宽的光刻图形。使用改良的实验装置及掩膜板,实现了5×5(25个)和32×32(1024个)蝴蝶结形光学天线阵列的大规模并行近场二维扫描光刻。所获得的图形形貌均一,表面质量好,可靠性高。进一步提高扫描速度,可将产率相对于传统近场扫描光刻技术提高104倍以上。本论文的创新点在于：1.基于耦合型光学天线结构增强局域场的光学效应,设计制备了一种新颖的银纳米球帽-纳米小孔耦合天线结构,并应用于SERS实验。该结构的制备方法简单易行,可通过控制蒸镀银膜厚度的方法调节耦合间隙大小,从而对耦合效应和SERS信号强度起调制作用。2.提出一种新型的准三维耦合天线结构作为SERS基底。使用纳米级PMMA薄膜作为间隔层,将银纳米立方体和银纳米小孔阵列结构组装到一起。利用银小孔阵列结构增强对入射光的吸收,利用LSPs耦合效应将能量局域在耦合区域中,增强该区域内拉曼分子的激发和辐射效率,通过银立方体增强辐射,将近场拉曼信号发射至远场,便于被探测器收集。该耦合结构相比非耦合结构具有更好的拉曼增强效应,可获得1.1×108的SERS增强因子。3.首次将ISPI技术引入基于蝴蝶结形光学天线的近场扫描光刻体系,对掩膜板与光刻胶基底进行纳米级精密测距和调平,获得0.02mrad以上的掩膜板-基底平行度。系统地研究了近场扫描光刻过程中各技术参数对光刻结果的影响,使用ISPI技术精确控制天线工作距离,提高光刻分辨率,获得线宽最小可达19nm的光刻图形,并最终实现1024个天线阵列并行的大规模近场二维扫描超分辨光刻。该技术可将近场扫描光刻产率提高104倍。