金属纳米结构中表面等离激元共振可在金属结构附近形成强的局域电磁场,高效地激发探针分子的拉曼光谱,同时,金属纳米结构可提供光学天线效应,能增强光与物质的相互作用,实现自由空间中传播的光场与局域场之间的相互转换,其在光场调控、增强荧光和拉曼、近场光学成像等方面有重要的应用。本文基于金属微纳结构中模式特性、耦合特性及其对电磁场及发光的调控作用,以银三角片-间隔膜层-银膜纵向耦合结构为基本结构,设计并制备了支持多种模式、结构易于实现的三类纵向耦合金属微纳结构,并发展此为SERS基底。从理论和实验上研究了耦合金属微纳结构中模式特性及其对SERS信号的增强作用,讨论分析了结构的关键参数与模式调控特性、拉曼信号的关系。本文的工作对于深入解析结构参数调控的模式特性,拓宽结构新应用,进一步理解SERS增强机理,发展、设计成本低廉、高灵敏度的新型SERS芯片等有重要的意义。具体研究成果如下:1.将膜层间的Gap表面等离激元(GPP)、金属纳结构边角局域表面等离激元(LSP)和光学天线效应的调控、耦合转化特性及可能的SERS应用引入结构设计中。利用化学合成方法制备了微米尺寸的银三角片,其具有优异平整的表面、尖角结构,可提供面、边、角的各向异性空间特性以及微纳尺度特征,可支持传播表面等离激元(SPP)和LSP两种基本模式。据此,构造了微米尺寸银三角片-间隔膜层-银膜纵向耦合结构,利用共焦光学显微SERS光谱,研究了单银三角片与银膜的纵向耦合特性、及增强SERS的物理。发现银三角片在可见光激发的情况下观察不到增强拉曼散射现象,但是将银三角片放置于银膜上并保持纳米尺寸的间隔时,在可见光范围内能观察到良好的增强拉曼现象,且拉曼信号的强度随着间隔尺寸的增加按指数的规律减弱。实验中还研究了从银三角片不同位置激发对应的拉曼光谱特性,并与理论计算的结果进行对比,发现耦合结构中GPP与银三角片边角的LSP及光学天线效应的共同作用是产生增强拉曼散射的物理基础。该类型纵向耦合结构是有效的SERS基底。2.基于以上研究,考虑满足宽谱范围内拉曼信号激发和辐射同时增强的要求,提出了大面积、尺寸统一的银三角形阵列与银基底(薄膜、光栅)的纵向耦合结构。以单层密排的聚苯乙烯(PS)微球为模板,结合膜层控制技术,成功制备了所设计的、多参数可控的、性能优越的纵向耦合结构。理论和实验上系统地研究了 SERS信号与耦合结构中银膜的厚度、银三角形的高度、间隔层的厚度、银光栅周期及激发光功率等参数的关系,在最佳的结构参数下获得了高达5.8 × 106拉曼增强因子和相对标准标准偏差小于4%优秀的拉曼信号重复性。该耦合结构在可见光范围内有宽的光谱吸收区,满足拉曼光谱的激发和辐射同时增强的要求,大大提高了 SERS强度,优于当前实用型SERS基底要求。3.为实现性能优越、信号稳定、实用的SERS基底,在以上研究基础上,进而提出了大面积准三维的银膜覆盖悬空银三角形阵列的纵向耦合型SERS基底。融合化学模板技术、光刻技术和膜层控制技术,制备了所设计的大面积、准三维的纵向耦合结构,悬空的银三角形与基底间隙可通过蒸镀银膜厚度来精确地调控。从理论和实验两个方面具体研究了 SERS信号的强度随蒸镀银膜厚度增加的关系,发现当蒸镀银膜厚度达到光刻胶柱高度时SERS信号最强,此时耦合结构在10-7M浓度下也可观测到明显的拉曼信号。该SERS基底中间的间隔层为空气层,实际应用时可根据研究目的不同临时加入拉曼探针分子,提高了 SERS基底应用的灵活性。论文的创新点:1.基于膜层间的GPP、金属纳结构边角LSP和光学天线效应的调控、耦合转化特性,构造了微米尺寸的银三角片与银膜的纵向耦合结构。解析了该耦合结构模式特性。在可见光范围内观察到良好的增强拉曼现象,证实该纵向耦合结构是有效的SERS基底,突破传统SERS基底对纳米结构尺寸的限制,拓展了 SERS激发波长的选择自由度。2.基于满足宽谱范围内拉曼信号激发和辐射同时增强的要求,以单层密排的PS球为模板,结合膜层控制技术,成功制备了大面积、尺寸统一的银三角形阵列与银基底(薄膜、光栅)的纵向耦合结构。在最佳的结构参数下获得了高达5.8 × 106拉曼增强因子和相对标准标准偏差小于4%优秀的拉曼信号重复性,为开发成本低廉、高灵敏度的新型SERS芯片提供了参考。3.以单层密排的PS球为模板,融合光刻技术和膜层控制技术,成功制备了大面积、实用的准三维银膜覆盖悬空银三角形阵列纵向耦合型结构。得益于悬空银三角形与银基底形成的高密度热点,该纵向耦合结构有优于10-7M的拉曼探测能力,同时该耦合微纳结构的介质间隔层为空气层,便于根据研究目的加入拉曼探针分子,提高了 SERS基底的实用性。