荧光自发辐射作为自然界中最基本的光发射现象之一，在多个领域具有重要应用价值。

常见的点光源如染料、量子点、稀土离子和色心等构成了荧光自发辐射的基本单位，而其他照明设备如LED则可被视为由随机取向点光源组成的荧光发光系统。在生物传感与成像、高分辨率显示、光通信、光磁学以及量子技术等众多应用中，强荧光信号的需求日益增长。

为了提升荧光信号强度，将荧光发射体与等离子体纳米天线(NA)耦合以利用金属增强荧光(MEF)效应成为一种有效策略。

等离子体纳米天线能够将入射光限制在深亚波长体积内，形成具有强局部电磁场的热点区域，从而显著提高荧光发射体的激发率；同时它还能调控发射体附近的局部光学态密度(LDOS)，在自发辐射过程中建立更多衰变通道，进而调整荧光衰变速率和方向性。

在各类纳米天线结构中，间隙等离子体展现出特别的荧光增强潜力，因为两个相邻组分之间的微小间隙区域能够产生远超单个组分的巨量局部电磁场。

然而传统具有C2v对称性的纳米天线结构（如二聚体或蝶形结构）存在严重的偏振依赖性问题，这在实际应用中带来了显著挑战。

这类结构只有在入射光偏振方向与纳米天线主轴及荧光发射体取向完全一致时才能实现最大荧光增强，而当偏振方向偏离主轴时，耦合效率急剧下降，在相互正交状态下几乎完全消失。

这种高度偏振依赖的特性与实际应用场景存在根本性矛盾，因为常规荧光光谱仪通常使用非偏振氙灯作为光源，而荧光发射体在自然状态下也是随机取向的。

虽然发射体方向工程技术与偏振激发光源在理论上可行，但它们需要在分子水平上进行精细复杂的操作，且整个系统体积庞大，难以适用于床边检测(POCT)和快速诊断免疫测定等实际应用场景。

尽管具有C4v对称性的纳米结构（如环形谐振器、靶心结构和纳米十字结构）理论上可提供偏振无关的共振模式，但纳米十字结构的制造面临严重挑战——电子束光刻过程中的邻近效应使得实现小间隙尺寸极为困难。

传统区域曝光方法通常只能实现大于50纳米的间隙尺寸，而这种尺寸对于产生强等离子体耦合效应和实现显著荧光增强来说过大，严重限制了C4v对称性纳米结构在实际荧光增强应用中的潜力。

针对上述问题，由中国工程物理研究院、湖南大学以及武汉理工大学组成的联合团队利用泽攸科技ZEL304G电子束光刻机进行了系统研究，他们开发了一种基于同心轮廓曝光策略的C4v对称性等离子体纳米十字天线阵列制造工艺，成功克服了传统电子束光刻中的邻近效应问题，实现了小间隙（约30纳米）纳米结构的精确制备，使该纳米十字天线阵列与底部金薄膜形成的金属-绝缘体-金属腔体能够在任意偏振入射光条件下提供平均超过50倍的均匀荧光增强效果。

相关成果以“Empowering Polarization-Independent Fluorescence Enhancement with a C4v-Symmetry Plasmonic Nanocross Antenna Array”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上。

该研究致力于解决传统等离子体纳米天线在实际荧光增强应用中面临的两大核心难题：严重的偏振依赖性和难以实现的小间隙制造。

研究人员设计并成功制备了一种具有C4v对称性的等离子体纳米十字天线阵列，旨在为任意取向的荧光发射体提供偏振无关的高效荧光增强。

这种纳米十字结构由两个正交的蝶形天线组成，其独特的对称性使其能够将任意偏振方向的入射光分解并耦合到两个正交的主轴上，从而无论光源偏振方向如何或荧光分子取向如何，都能实现稳定且高效的激发。

为了进一步提升性能，该器件采用了金属-绝缘体-金属（MIM）腔体结构，即在顶层的纳米十字阵列与底层的金薄膜之间引入二氧化硅间隔层。

这种设计不仅增强了局域电磁场，还显著扩大了“热点”区域，使其不仅局限于天线间隙，还覆盖了四个天线臂的周围，从而极大地提升了平均荧光增强效果。

图 1. 所提出的纳米十字天线阵列示意图。顶层金纳米天线与底层金薄膜形成金属 - 绝缘体 - 金属腔，以进一步增强光与物质的相互作用，从而获得更强的荧光增强效果。分散在水溶液中的 Cy5.5 染料通过旋涂覆盖在纳米天线阵列表面。圆偏振入射光用于等效激发任意取向的荧光发射器。

然而实现这一设计的最大障碍在于纳米制造，特别是电子束光刻过程中的“邻近效应”。

在传统的区域曝光方法中，整个天线臂区域被一次性曝光，这会导致电子在抗蚀剂中散射，使得天线间隙处的曝光剂量过高，极易导致相邻臂在显影后粘连，无法形成所需的纳米级小间隙。

为攻克此难题，研究团队开发了一种创新的“同心轮廓曝光”策略，并辅以低温显影技术。

该策略不再对整个天线臂进行一次性曝光，而是将其分解为一系列紧密排列的同心轮廓线，逐条进行曝光。

由于每次曝光的只是结构的一小部分，外轮廓线受到的邻近效应远弱于传统方法，从而有效抑制了间隙区域的过度曝光。同时，低温显影提高了显影过程的对比度和选择性，使图案转移更加精确。

图2. (a) 纳米十字阵列的等离子体共振覆盖了Cy5.5染料的激发和发射波长。(b) 金属-绝缘体-金属（MIM）结构与纯纳米天线（NA）结构的电场增强|E/E₀|²对比，MIM的增强效果高出30%。(c) 698 nm处电场分布的俯视图和侧视图，较大的局部电场增强不仅在间隙区域产生，还在四个天线臂周围形成，扩大了热点区域。(d) 纳米十字阵列的多极展开，相邻臂之间的耦合产生了较大的电四极矩（EQ）贡献，而相对臂之间的相互作用则带来了可观的电偶极矩（ED）和磁偶极矩（MD）贡献。(e) 具有C4v对称性的纳米十字阵列，无论发射器取向如何，都能实现偏振无关的荧光增强，与具有C2v对称性的蝴蝶结结构相比，其平均荧光增强效果更显著。为实现优化的荧光增强，采用了以下设计参数：周期（P）=300 nm，间隙尺寸（D）=30 nm，宽度（W）=70 nm，长度（L）=30 nm，高度（H）=90 nm，T₁=40 nm，T₂=100 nm，T₃=150 nm。金的光学特性来自实验测量，二氧化硅和水介质的折射率分别设定为1.5和1.33。将单个偶极发射器置于间隙中心，以评估荧光增强性能。

在此过程中，泽攸科技的ZEL304G电子束光刻机扮演了不可或缺的关键角色。作为高精度纳米加工的核心设备，这台电子束光刻机提供了实现“同心轮廓曝光”策略所必需的超高分辨率和精确的电子束控制能力。

研究团队正是利用这台设备，以20 keV的加速电压和15 pA的束流，精确地按照预先设计的同心轮廓路径对PMMA抗蚀剂进行扫描曝光。

正是这种设备级别的精确操控，使得研究团队能够突破传统工艺的限制，成功制造出间隙尺寸约为30纳米的高质量纳米十字阵列，且在整个300×300的阵列上保持了优异的一致性和可重复性。

图3.（a）纳米十字阵列的一般制备流程。（b）同心轮廓电子束光刻（EBL）方案的示意图。与对纳米天线（NA）整个区域进行曝光的传统方法相比，该方案通过曝光一系列轮廓线来适当控制每次的曝光区域，从而在实现小纳米天线间隙的同时保持天线臂的尖锐尖端。（c）所制备纳米十字阵列的扫描电子显微镜（SEM）图像，该阵列由 300×300 个纳米十字天线组成。在整个阵列上实现了约 30 nm 的小纳米天线间隙，且具有良好的一致性和可重复性。

最终该研究展示了在非偏振氙灯照射下，整个纳米十字天线阵列上实现了平均超过50倍的均匀荧光增强效果，且这一增强效果与入射光偏振方向完全无关。通过反射光谱测量、散射型近场光学显微镜成像和荧光映射等多种表征手段，研究团队全面验证了该结构的偏振无关特性和优异的荧光增强性能。

这项工作不仅解决了等离子体纳米天线在实际应用中的关键瓶颈问题，还为在宽松照明条件下进行纳米光子传感开辟了新途径，特别适用于床边检测和快速诊断免疫测定等实际应用场景，具有重要的科学意义和应用价值。

图4. (a) 纳米十字阵列在水介质中的实测反射光谱，该光谱与模拟结果一致。(b) 不同线偏振入射光下的反射光谱。无论入射偏振角如何，都观察到一致的反射光谱，明显表明纳米十字结构具有偏振无关的等离子体共振特性，数据变化通常在10%以下。(c) 纳米十字天线的散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）图像。在间隙区域和天线臂周围都存在较大的局部电场增强，扩大了用于荧光增强的热点区域。(d) 旋涂Cy5.5染料后的光致发光（PL）映射图像。在整个纳米天线阵列上发现了均匀的荧光增强。(e) 非偏振氙灯照射下的平均荧光增强光谱。实现了超过50倍的平均荧光增强因子。

泽攸科技ZEL304G电子束光刻机（EBL）是一款高性能、高精度的光刻设备，专为半导体晶圆的高速、高分辨率光刻需求设计。

该系统采用先进的场发射电子枪，结合一体化的高速图形发生系统，确保光刻质量优异且效率卓越。

标配的高精度激光干涉样品台能够满足大行程高精度拼接和套刻需求，为复杂实验和生产任务提供可靠支持。

其核心优势在于卓越的成像能力和灵活的扫描模式，可实现多种矢量扫描方式，包括顺序扫描、循环扫描和螺旋型扫描，同时支持多图层自动曝光与场校准功能，满足多样化的工艺要求。

此外，设备兼容多种图形文件格式，并可通过选配附件（如UPS不间断电源和主动减震台）进一步提升运行稳定性。无论是新材料研究、前沿物理探索，还是半导体、微电子、光子学及量子技术领域的应用，ZEL304G均表现出色，是科研与工程领域的理想选择。

来源：泽攸科技 https://www.zeptools.cn/

编辑：滕斌