(57)【要約】  表面増強ラマン分光（ＳＥＲＳ）のようなラマン分光のための装置を開示する。様々な実施例を利用すると、パルスレーザ堆積のような幾つかの堆積技術を用いてＳＥＲＳ基板を作成できる。ある実施例では、ＳＥＲＳ活性金属の対象範囲や容量や構成要素を最適化している。この方法は、ＳＥＲＳ活性基板を作成する、単一ステップの廉価な方法である。ある実施例では、ＳＥＲＳ活性金属の下方のコーティング層が、更なる増強のために用いられている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の粒径を有する第１の複数のナノ粒子と、
前記第１の複数のナノ粒子を覆う、０．５ｎｍ〜１０ｎｍの範囲の粒径を有する第２の複数のナノ粒子と、
前記第１及び第２の複数のナノ粒子が表面にコーティングされ、コーティング表面を形成した基板
とを備え、前記基板の化学的又は生物学的な特異性及び感度を増強するために、前記コーティング表面が、前記コーティング表面に置かれた物質に対しプラズモン結合を与えることを特徴とするラマン分光増強装置。
【請求項２】
前記コーティング表面が、前記ラマン分光増強装置のラマン分光を増強するためのプラズモン結合を、前記コーティング表面に置かれた物質に提供することを特徴とする請求項１に記載のラマン分光増強装置。
【請求項３】
前記コーティング表面が、前記表面に厚み勾配を有することを特徴とする請求項１に記載のラマン分光増強装置。
【請求項４】
前記厚み勾配が、０ｎｍ以上の最小厚みと２００ｎｍ以下の最大厚みとを有することを特徴とする請求項３に記載のラマン分光増強装置。
【請求項５】
前記ナノ粒子が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、これらの合金、これらの合成物、又はこれらの混合物を備えることを特徴とする請求項１に記載のラマン分光増強装置。
【請求項６】
前記基板の表面が、３μｍ未満の表面荒さを有することを特徴とする請求項１に記載のラマン分光増強装置。
【請求項７】
前記基板が、ガラス、半導体、誘電体、有機膜、又は金属薄膜を備えることを特徴とする請求項１に記載のラマン分光増強装置。
【請求項８】
支持材料の表面が、前記第１及び第２の複数のナノ粒子を前記表面にコーティングする前に、少なくとも一つの材料で予めコーティングされていることを特徴とする請求項１に記載のラマン分光増強装置。
【請求項９】
前記予めコーティングした材料が、金属、誘電体、又はこれらの混合物を備えることを特徴とする請求項８に記載のラマン分光増強装置。
【請求項１０】
前記基板が、表面増強ラマン分光（ＳＥＲＳ）、表面増強共鳴ラマン分光（ＳＥＲＲＳ）、表面増強ハイパー−ラマン分光（ＳＥＨＲＳ）、又は表面増強コヒーレント・アンチ−ストーク・ラマン分光（ＳＥＣＡＲＳ）を含む増強ラマン分光を提供ずることを特徴とする請求項１に記載のラマン分光増強装置。
【請求項１１】
前記基板が、表面増強赤外線吸光（ＳＥＩＲＡ）を提供することを特徴とする請求項１に記載のラマン分光増強装置。
【請求項１２】
パルスレーザ堆積、裏面導入パルスレーザ堆積、表面導入パルスレーザ堆積、又はスパッタリングのなかの一つを含むプロセスで、
ラマン活性材料のナノ粒子を、基板の表面に形成することによりラマン活性基板を形成することを特徴とする、
ラマン分光のために、電界増強、ラマン分光増強、並びに基板の化学的又は生物学的な特異性及び感度を増強するためのプラズモン結合発生装置を形成する方法。
【請求項１３】
前記パルスレーザ堆積、前記表面導入パルスレーザ堆積、又は前記裏面導入パルスレーザ堆積のプロセスが、約１フェムト秒〜１００ナノ秒の範囲のパルス幅を有するレーザを用いることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記パルスレーザ堆積又は前記裏面導入パルスレーザ堆積のプロセスが、１０フェムト秒〜２００ピコ秒の範囲のパルス幅を有するレーザを用いることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記パルスレーザ堆積又は前記スパッタリングが、＜１×１０−１０ｍｂａｒの超高真空から１気圧の圧力のもとで行われることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
２００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲に波長を有するパルスレーザを用いることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
約５００ＭＨｚ未満の繰返周波数を有するパルスレーザを用いることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
１ｋＨｚ〜５ＭＨｚの範囲に繰返周波数を有するパルスレーザを用いることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
表面増強ラマン分光（ＳＥＲＳ）、表面増強共鳴ラマン分光（ＳＥＲＲＳ）、表面増強ハイパー−ラマン分光（ＳＥＨＲＳ）、又は表面増強コヒーレント・アンチ−ストーク・ラマン分光（ＳＥＣＡＲＳ）のために、ラマン活性表面を形成することを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
表面増強赤外線吸光のために活性表面を形成することを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項２１】
請求項１２に記載の方法で製造した製造物であって、
前記の製造物はそこにコーティングしたナノ粒子層を有する前記基板を含み、そこでは、前記ナノ粒子層が、化学的又は生物学的な特異性と感度とを増強するためのプラズモン結合を、前記基板の表面に置かれた物質に提供することを特徴とする製造物。
【請求項２２】
前記ナノ粒子層は、ラマン分光を増強するためのプラズモン結合を、前記基板の表面に置かれた物質に提供することを特徴とする請求項２１に記載の製造物。
【請求項２３】
前記ナノ粒子層の少なくとも一部は、前記基板の表面に直接的に接触していることを特徴とする請求項２１に記載の製造物。
【請求項２４】
薄膜が、前記基板の表面と前記ナノ粒子層の少なくとも一部との間に設けられていることを特徴とする請求項２１に記載の製造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本出願は、２０１０年２月１０日に出願された、米国仮出願第６１／３０３，０１４号明細書の利益を主張するものである。
【０００２】
本出願の主題は、「Ｐタイプ半導体の酸化亜鉛膜を作成するためのプロセス、及び透明基板を用いるパルスレーザ堆積方法」という発明の名称で、２００６年４月１７日に出願され且つ米国特許第７，６０８，３０８号明細書として２００９年１０月２７日に発行された、米国特許出願第１１／４０５，０２０号明細書に関する。本出願の主題は、２００９年３月１１日に出願された、「薄膜を製造する方法」という発明の名称の米国特許出願第１２／４０１，９６７号明細書にも関しており、これは２００８年１０月２０日に出願された「薄膜を製造する方法」という発明の名称の米国特許出願第１２／２５４，０７６号明細書に対する優先権を主張すると共に、２００８年３月２７日に出願された「薄膜を製造する方法」という発明の名称の、米国仮出願第６１／０３９，８８３号明細書に対する優先権を主張するものである。本出願の主題は、「結晶チタニア・ナノ粒子と膜とを堆積する方法」という発明の名称で、２００７年５月１０日に出願された、米国特許出願第１１／７９８，１１４号明細書にも関しており、これは、２００７年２月７日に出願された米国仮出願第６０／８９９，８９２号明細書に対する優先権を主張するものである。本出願は超高速パルスレーザ微少量堆積パターン形成」という発明の名称で、２００９年３月９日に出願された米国特許出願第．１２／４００，４３８号明細書にも関している。
【０００３】
出願番号１１／４０５，０２０、６１／０３９，８８３、１１／７９８、１１４、６０／８９９，８９２、１２／２５４、０７６、１２／４００，４３８、１２／４０１，９６７の開示事項の全体は、ここに引用して本明細書の一部として包含されている。
【０００４】
本発明は、ラマン散乱を用いて、有機分子と生体分子のような物質と化合物とを検出するための表面を有する、基板表面又は支持材料を作成する方法に関する。
【背景技術】
【０００５】
表面増強ラマン散乱又は表面増強ラマン分光（ＳＥＲＳ）は、あるＳＥＲＳ活性金属の表面に吸収される又は位置する分子により、ラマン散乱を増強する非常に高精度で貴重な分析ツールである。信号増強は１０１４又は１０１５の大きさになるので、この方法は、関心のある単一分子の検出に使用できる。増強の正確なメカニズムには、二つの有力な理論があるが、今のところ不明である。一つの理論、即ち、電磁理論では、増強は局部的な表面プラズモンの励起から生じる。化学理論では、他方で、電荷転送錯体の形成に対する増強に起因する。しかし、化学理論は表面にボンドを形成した種に適用されるだけなので、すべてのケースの増強を説明できない。電磁理論のほうが適用分野が広い。ＳＥＲＳの通常の表面は、銀、金、銅、パラジウム又は白金の粒子又は粗面を含んでいる。ＳＥＲＳ効果を得るには、表面は、滑らかでなく、粗くなければならない。この表面は、金属の滑らかな表面を粗くするか、又はナノメータ・サイズの金属粒子を表面に堆積すると作成できる。ナノ粒子の形状とサイズと、ナノ粒子層の厚みは、すべてＳＥＲＳ信号に影響する。ＳＥＲＳは粗い金属の表面を必要とするので、滑らかな薄膜を製造する従来の薄膜成長技術は、ＳＥＲＳ基板の形成に適していない。
【０００６】
ＳＥＲＳ基板を製造する一つの方法は、ナノ粒子を含有する溶媒を、表面に滴下成形又は拡散することである。しかし、この方法は、ＳＥＲＳの活性領域の非均一性、再現性の不足、一貫性のない信号増強に困っている。ＳＥＲＳ表面を形成する更に別の方法は、化学的組立方法であり、非特許文献１に開示されており、ラングミュア−ブロジェット（ＬＢ）方法とも呼ばれている。ＬＢ方法では、貴金属のナノ粒子が、水と混合しない揮発性化合物に分散している疎水性分子で修正される。この方法は、比較的単純であり、大規模な応用面に使用できる。しかし、ナノ粒子溶液の安定性が課題である。
【０００７】
別の方法では、支持材料又はベースを提供する基板が、金属材料でパターン化した表面をコーティングして作成される。最初にパターンが表面に刻み込まれる。次に、ＳＥＲＳ活性金属が、非特許文献２に開示しているように、ＳＥＲＳ信号を増強するために、パターン表面に電気化学的に又は物理的にコーティングされる。この方法は、希望するＳＥＲＳ基板を得るために幾つかのステップを必要としており、光リソグラフィー又は電子線リソグラフィーのように、表面作成のために必要な装備のために、通常は非常に高価になる。
【０００８】
更に別の方法では、支持材料の表面が、レーザ・ナノマシンを用いて最初に修正され、次にＳＥＲＳ活性金属でコーティングされる。例えば、フェムト秒のレーザ処理が、ＳＥＲＳの反応金属及び他のフォトニック感知方法でコーティングされるナノ構造の表面をつくるために用いられている。しかし、この方法は、特許文献１に開示されているように、基板を作成するために多数のステップを已然として必要としている。この方法は、前述のリソグラフィー技術に基づいた他のパターン基板と比べると廉価であるが、已然として多数のステップのプロセスであり、費やす時間も長い。
【０００９】
ＳＥＲＳ活性金属の表面を基板に作成する方法であって、様々な物質を検出するために、廉価で、処理速度も迅速で、再現性が高く、且つ調整可能な方法を開発することが特に望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第７，５８６，６０１号明細書
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ａ．トー（Too）ら、「ナノクリスタルとナノワイヤのラングミュア−ブロジェット( Langmuir-Blodgettty of ' Nanocrystals and Nanowires）」、アカウンツ・オブ・ケミカル・リサーチ(Acc. Chem. Res.)、第４１巻、２００８年、ｐ１６６２−１６７３
【非特許文献２】Ｂ．ヤン（Yan ）ら、「多スケール信号増強で加工したＳＥＲＳ基板：ナノ粒子クラスタ・アレイ（Engineered SERS substrates with multiscale signal enhancement: Nanoparticle cluster arrays）」ＡＣＳナノ(A CS Nano)、第３巻、２００９年、ｐ１１９０−１２０２
【発明の概要】
【００１２】
本発明は、ラマン分光のために基板上にＳＥＲＳ活性金属の表面を形成する方法と、この方法で製造した製造物とを含んでいる。この方法は、比較的平らな表面を有する基板又は支持材料を用意して、この上に、超短パルスレーザ堆積、超短裏面導入パルスレーザ堆積、又はスパッタリング等のプロセスで、単一のステップでナノ構造の金属層を表面に形成することにより、ラマン分光に適した基板を形成するステップを含んでいる。この製造物は、表面増強ラマン分光（ＳＥＲＳ）、表面増強共鳴ラマン分光（ＳＥＲＲＳ）、表面増強ハイパー−ラマン分光（ＳＥＨＲＳ）、表面増強コヒーレント・アンチ−ストーク・ラマン分光（ＳＥＣＡＲＳ）、表面増強赤外線吸光（ＳＥＩＲＡ）に使用できる。この方法は、用いる活性金属又は検出する基板に基づいて検出を最適にするので、高速で、廉価で、再現性が高く、且つ調整可能である。この方法は、活性金属層の厚み勾配を表面に形成することを可能にするので、関心のある化合物の検出に最適の厚みを、厚み勾配上の位置で信号強度を調整することにより容易に決定できる。この方法は、活性金属層から来るラマン信号を増強するために、活性金属表面を形成する前に、基板の表面を他の物質で予めコーティングすることも可能にする。本実施例では、ＳＥＲＳ活性金属を基板表面に直接的に結合しない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】本発明に係るパルスレーザ堆積システムの幾つかの構成部品を概略的に示す図である。
【図１Ｂ】本発明の幾つかの主な構成部品を概略的に示す図である。
【図２Ａ】本発明に係るパルスレーザ・システムと、薄膜特性の調整に有用なレーザ・パラメータの幾つかの例とを概略的に示す図である。
【図２Ｂ】本発明に係るパルスレーザ・システムと、薄膜特性の調整に有用なレーザ・パラメータの幾つかの例とを概略的に示す図である。
【図２Ｃ】本発明に係るパルスレーザ・システムと、薄膜特性の調整に有用なレーザ・パラメータの幾つかの例とを概略的に示す図である。
【図３Ａ】本発明に係る、厚み勾配の薄膜と、異なる表面荒さライブラリと、コーティング・ライブラリとを、各々、概略的に示す図である。
【図３Ｂ】本発明に係る、厚み勾配の薄膜と、異なる表面荒さライブラリと、コーティング・ライブラリとを、各々、概略的に示す図である。
【図３Ｃ】本発明に係る、厚み勾配の薄膜と、異なる表面荒さライブラリと、コーティング・ライブラリとを、各々、概略的に示す図である。
【図４】本発明に係る裏面導入パルスレーザ堆積システムの構成を概略的に示す図である。
【図５】本発明に係るラマン測定のためのシステムを概略的に示す図である。
【図６Ａ】サファイア基板上の、厚み勾配を有する金薄膜の原子間力顕微鏡画像を示す図である。
【図６Ｂ】本発明に係る方法により作成した金のナノ粒子の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の画像を示す図である。
【図７Ａ】背景蛍光と、市販のＳＥＲＳ基板を用いて得たラマン分光信号と、本発明に係る方法により作成した基板との比較を示す図である。
【図７Ｂ】背景蛍光と、市販のＳＥＲＳ基板を用いて得たラマン分光信号と、本発明に係る方法により作成した基板との比較を示す図である。
【図８】ベアガラス上の２０ｎｍ厚みのＳＥＲＳ活性金属としての金のコーティングと、ＴｉＯ２で予めコーティングした薄膜に関して三つの異なる表面荒さライブラリの走査型電子顕微鏡の画像を示す図である。
【図９】本発明により、異なる表面荒さのＴｉＯ２で予めコーティングした薄膜に２０ｎｍ又は１００ｎｍの金薄膜を用いる、水中で０．２重量％ピリジン溶液のラマン信号を、市販品のKlarite（登録商標）と対比して示す図である。
【図１０Ａ】様々なＳＥＲＳ基板上における、水中で０．２％重量％ピリジン溶液のラマン信号を示す図である。
【図１０Ｂ】本発明に係る方法に従い、裏面導入ＰＬＤを用いて基板に作成した金薄膜のＳＥＭ画像である。
【図１１】本発明に係る基板からの、水中で０．２％重量％ピリジン溶液のラマン信号を示しており、基板が、ＳＥＲＳ活性金属コーティングの堆積前に予めコーティングされている。
【図１２Ａ】サファイア基板上の、厚み勾配を有する金薄膜の原子間力顕微鏡画像を示す図である。
【図１２Ｂ】本発明に係る方法により作成した銀のナノ粒子のＴＥＭ画像を示す図である。
【図１３】本発明に係る方法により作成した銀のＳＥＲＳ活性金属基板からの、水中で０．２％重量％ピリジン溶液のラマン信号を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
前述のように、有機分子及び生体分子を含む様々な物質を検出するために、廉価で、瞬時に作動して、再現性が高く、且つ調整可能な、ＳＥＲＳ活性金属表面をつくる方法を開発することが特に望まれている。本発明は、信頼性を改善し、再現性を改善し、コストを低減し、特定分子の検出を最適化するように調整するために、基板にＳＥＲＳ活性金属の表面を作成する、単純な単一ステップ・プロセスである。本発明は、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ）を活用し、特に超高速レーザを用いて、単一ステップのプロセスで支持材料の表面上に機能的なＳＥＲＳ活性金属表面をつくる。従来の市販のＳＥＲＳ基板、Klarite（登録商標）と比べると、本発明に係る方法により作成したＳＥＲＳは、基板からの蛍光背景信号が少なく、良好なサンプル検出信号を呈する。前述のように、ＳＥＲＳ活性金属の表面は、基板表面に直接的に形成してはいけない。次に示すように、一つ又は複数の介在層があるからである。本明細書と本特許請求の範囲の記載において、活性金属のコーティングによる基板の表面のコーティングは、表面への直接的な形成を必要としない、即ち、特記事項がない限り、介在層が存在してもよい。
【００１５】
一つの実施例に従って、図１Ａと１Ｂは、ここで開示する実験を行うために用いるパルスレーザ堆積（ＰＬＤ）システムの幾つかの構成要素と実験装置の配置とを概略的に示す。本発明の様々な実施例で用いるＰＬＤシステムは、バーストモード・パルスの動作を示す「薄膜を製造する方法」という発明の名称で、２００９年３月１１日に出願された米国特許出願第１２／４０１，９６７号明細書に記載されたものと似ている。ＰＬＤシステム１０は、真空チャンバ１２と、（図示を省略しているが、）関連するターボポンプ及びとメカニカルポンプと、ターゲット・マニュピュレータ１４と、ガス導入バルブ１６と、基板マニュピュレータ１８とを含んでいる。レーザビーム２０は、溶融シリカ窓２６を経由してターゲット２４の表面にレンズ２２によって集光される。ターゲット・マニュピュレータ１４は回転運動と横方向の動きを複数のターゲット２４の材料に提供するが、基板マニュピュレータ１８は加熱作用と回転運動と横方向の動きとを基板２８又は支持材料に提供する。ガス導入バルブ１６は、ガスを真空チャンバ１２に導入し、それらの圧力を調整するために用いる。真空チャンバ１２と付随するポンプは、雰囲気の圧力から１×１０−１０ｍｂａｒという非常に高い真空の条件をつくることができる。本発明に係るＰＬＤシステム１０の更なる特徴として、可動遮蔽マスク３０と磁気スパッタリング・ガン３２とを備えている。線形貫通機能を具備する遮蔽マスク３０は、ＰＬＤプロセス中に完全に又は部分的に基板２８をカバーする又はカバーを外すために用いる。本発明の単一ステップの方法は、基板２８の表面に対するＳＥＲＳ活性金属の薄膜の成長を必要とするだけである。マスク３０は、ＰＬＤプロセス中に生成したプラズマ・プルーム３４が基板２８の一部に堆積することを防止するために使用できる。マスク３０をＰＬＤプロセス中に移動することにより、段階的な厚みをもつＳＥＲＳ活性材料を基板２８に堆積できる。ある実施例では、レーザビーム２０は、（図示を省略しているが、）検流計を基礎とした走査システムを用いて、ターゲット２４を走査できる。レーザビーム２０の走査方向は、ターゲット２４に対して垂直又は水平にできる。磁気スパッタリング・ガン３２は、ＳＥＲＳ活性金属コーティングを堆積する前又は後の何れかで、基板２８に物質を堆積するために使用できる。本発明の様々な実施例において有用な基板又は支持材料は、ガラス、シリコン、Ａｌ２Ｏ３、有機膜、金属薄膜を含めて、多種多様な表面を備えている。
【００１６】
本発明のプロセスで、ＰＬＤシステムのレーザは、好都合に、基板の表面にＳＥＲＳ活性金属のコーティングを成長させる「バースト・モード」で動作する。各バーストは、時間的に厳密に分離されたレーザビーム・パルスの列を含んでいる。バーストのパルス数、バーストの繰返周波数、レーザビーム・フルエンスのようなパルス・パラメータは、粒子経を調整可能なように、基板上へのナノ粒子の成長を制御するように変更できる。この方法で、バーストは、当業者には周知の多くのプロセスを介して生成できる。あるプロセスで、バーストは、ビーム・スプリッタや遅延ステージを用いて、光学的にビームを分割し再結合して生成する。別のプロセスで、バーストは、チャープ・パルス増幅（ＣＰＡ）システムにおけるパルス選択のために用いる、音響光学的変調器（ＡＯＭ）を介して実現する。バーストの幅とバーストの繰返周波数は、ＡＯＭのゲート幅と繰返周波数とによって各々決まる。
【００１７】
図２Ａは、本発明に係る方法により、超短パルスを生成するファイバを基礎としたのチャープ・パルス増幅システムを示す。サブピコ秒のパルスを生成できる市販のレーザは、イムラ・アメリカ・インコーポレイテッドのモデルFCPAμJewel D- 1000 である。ダウンカウンタ又はパルス・ピッカを用いて、発振器の繰返周波数を約１ＭＨｚ〜１ＧＨｚから１００ｋＨｚ〜約５ＭＨｚの範囲の繰返周波数に減少する。例えば、発振器の繰返周波数が５０ＭＨｚで、パルスを１：５０の比率で選択すると、最終的な出力の繰返周波数は、１ＭＨｚになる。標準的なD- 1000の構成は、１００ｋＨｚと５ＭＨｚの間の繰返周波数で、パルスエネルギとパルス幅とにおいて対応する変動がある。例えば、約１０μＪのパルスエネルギが、１００ｋＨｚの動作に対して指定される。５ＭＨｚ動作の場合、数百ｎＪのパルスエネルギを使用できる。サブピコ秒のパルス、例えば、約７００フェムト秒〜約１ピコ秒の範囲のパルス幅を生成できる。「バースト・モード」ＰＬＤシステムは、図２Ａのデジタルコントローラに対するアクセスを可能にするユーザ・インタフェースを含んでいる。ダウンカウンタ又は他の適切なパルス・ピッカは、パルス数と、パルス・スペース設定と、パルス強度と、バーストのパルスで定まるエンベロープを意味するバースト強度分布が、妥当な範囲で、例えば、約１０：１で調整できるようにプログラム設定されている。
【００１８】
図２Ｂは、出力パルスが生成する様子を概略的に示す。本例で、モード同期発振器は、例えば、５０ＭＨｚ以上の高繰返周波数で動作する。モード同期発振器からのパルスは、電力増幅器による増幅の前に一時的にストレッチされる。一つ又は複数のパルスの選択は、出力パルスを生成し且つ効果的な出力パルスの繰返周波数を制御するために、音響光学的変調器（ＡＯＭ）又は別の適切なパルス・ピッカを用いて行われる。各バーストのパルス数は、スイッチが開いている時の持続時間を意味する、ＡＯＭゲート幅で決まる。例えば、典型的な発振器は、５０ＭＨｚの高繰返周波数をもつパルスを生成するので、パルス間隔は２０ナノ秒になる。従って、ＡＯＭゲートが１００ナノ秒毎に開くと、出力バースト・モードは各バーストで５個のパルスをもち、バーストの繰返周波数はＡＯＭ繰返周波数で決まる。
【００１９】
図２Ｃは、バースト・モードのレーザ・パルス列、及び本発明に係る方法により堆積したＳＥＲＳ活性金属の薄膜の表面モホロジーを調整するために用いるレーザ・パラメータの幾つかを概略的に示す。各バーストは、厳密にスペース設定されたパルスのグループを含んでいる。調整自在のレーザ・パラメータは、パルス幅と、バーストの繰返周波数と、パルス間隔時間と、バーストあたりのパルス数と、パルスエネルギとを含んでいる。薄膜の表面荒さは、レーザ・パラメータを変えると調整できる。典型的なパルス増幅システムの場合、バースト内のパルスの繰返周波数を意味する基本繰返周波数は、変更可能な発振器の繰返周波数で決まる。
【００２０】
本発明の幾つかの実施例でＰＬＤを用いると、バースト毎のパルス数は、１〜１００の間で変更できる。より好ましくは、バースト毎のパルス数は２〜５０である。バーストの繰返周波数は、好ましくは１ｋＨｚ〜１００ＭＨｚである。パルス繰返周波数は、好ましくは１ＭＨｚ〜１ＧＨｚであり、パルス間隔は１ナノ秒〜１マイクロ秒であるか、又は繰返周波数は１００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚである。パルスエネルギは、１ｎＪ〜１０ｍＪ、より好ましくは１０ｎＪ〜１００μＪ、最も好ましくは５０ｎＪ〜１０μＪの範囲である。レーザ・フルエンスは、好ましくは１ｍＪ／ｃｍ２〜１００Ｊ／ｃｍ２、より好ましくは１０ｍＪ／ｃｍ２〜５０Ｊ／ｃｍ２である。パルス幅は、１０フェムト秒〜１００ナノ秒、より好ましくは１ピコ秒〜２００ピコ秒である。レーザビームの波長は、光源により決まり、２００ｎｍ〜２０００ｎｍである。レーザビームの集光されたスポットの直径は、５μｍ〜５００μｍ、より好ましくは１０〜４５０μｍである。このようなシステムを用いると、一般に、バースト毎のパルス数とバーストの繰返周波数が増えるにつれて、粒子経が減少する。本発明による超短レーザを用いると、三つの主な利点が提供される。フェムト秒〜ピコ秒という短いパルス幅は、高いピーク電力密度が存在することを意味する。従って、溶発閾値は、１〜２の桁で減少するので、総パルスエネルギは、ｍＪの領域というよりむしろμＪの領域で減少できる。そのうえ、加熱ゾーンが急減するので、堆積中の滴下物の飛散も小さくなる。
【００２１】
図３Ａは、本発明に係る方法に従い基板に形成されたＳＥＲＳ活性金属の薄膜の厚み勾配を示す略図である。ＳＥＲＳ活性金属、例えば、堆積した金又は銀の量は、ＳＥＲＳ活性金属コーティングの厚みが変化するコーティングとするために、領域Ａにおいて連続して線形に変動する。ある位置の厚みは、インフィコンのマイクロバランス・モニタを用いて定めることができる。この勾配層は、ターゲット材料が基板に堆積している際のマスクの動きにより形成できる。表面モホロジー及びラマン分光の位置依存性の観察結果により、ＳＥＲＳ活性金属の厚みを変えることにより、ＳＥＲＳ測定を最適に行う厚みを決定できる。
【００２２】
図３Ｂは、本発明に係る方法により堆積した金属の異なる厚みに起因する、表面荒さ及び／又は材料依存性の影響を検討するための基板テーブルの略図である。ＳＥＲＳ活性金属をコーティングする前に、三つの異なる表面荒さのＴｉＯ２薄膜を、ガラス基板の表面にコーティングする。ＴｉＯ２薄膜は、本出願の発明者が既に開示済みのバーストモードｆｓ−ＰＬＤを用いて作成する。より数多くのバーストパルスを用いると、最終的な薄膜の表面が、より滑らかになる。最初に、滑らかなＴｉＯ２薄膜を、２３個のバーストパルスを用いて、列１，２、３にコーティングし、列４はベアガラスとして保持した。次に、２番目に粗いＴｉＯ２の薄膜を、５個のバーストパルスを用いて、今のＴｉＯ２膜上の列１と２にコーティングした。最後に、最も粗いＴｉＯ２薄膜を、単一のパルスを用いて、前の二つのコーティングの上の列１にコーティングした。表面モホロジーは最も粗い領域から最も影響を受けるので、最も粗い薄膜が、列１と２の表面につくられる。異なる領域が、ＰＬＤプロセス中に、図１Ａに示す遮蔽マスクで分割される。次に、異なる厚みの金薄膜を、基板の列上に、ＴｉＯ２の列に対して垂直方向となる行方向に成長する。従って、これは、ＳＥＲＳ活性金属を基板表面に直接的に堆積しない一例になる。金薄膜の厚みは、各々、行Ａ〜Ｄに対応して、例えば、１、５、２０、１００ｎｍになる。レーザ電力とバースト周波数は、金の膜を成長させるために、各々、５．３Ｗと１ＭＨｚと２個のパルスに設定される。これは、事前のコーティングとＳＥＲＳ活性金属コーティングの厚みによる影響を検討するために、列１〜４と行Ａ〜Ｄのグリッド・ワークを与える。
【００２３】
図３Ｃは、ＳＥＲＳ増強に関して、ＳＥＲＳ活性金属コーティングの下における材料コーティングの影響を検討するための別の基板の象限（四分円）の略図である。再び繰り返すが、ＳＥＲＳ活性金属は基板上に直接的には形成されない。基板はガラスであり、マスクを用いて、プロセス中の象限をつくる。象限１と２は、従来技術で周知のＤＣ磁気スパッタリング・コータを用いて、１００ｎｍ厚みのＰｔ薄膜で最初にコーティングする。基板は、大気に一度露出し、本発明のＰＬＤシステムを用いてＳＥＲＳにおける金薄膜の成長のために、真空チャンバに置かれる。金薄膜は象限２と４上で成長する。象限３は、何れのプロセスでもコーティングされず、ベアガラスとして残る。Ｐｔ薄膜は、本発明に係る方法によりＰＬＤを用いて堆積することもできた。
【００２４】
図４は、ＳＥＲＳ活性金属でコーティングした基板をつくるために、本発明でも使用できる、裏面導入パルスレーザ堆積の構成を概略的に示す。ガラスのようなターゲット４０が、磁気スパッタリング・コータにより、金又は銀のようなＳＥＲＳ活性金属の薄膜４２で予めコーティングされている。予めコーティングした膜４２の厚みに基づいて、ＳＥＲＳ基板４４に形成できる最大厚みが決まる。膜４２をもつターゲット４０が（図示を省略しているが、）プレート上に置かれる。次に、レーザビームの波長に対して透明なガラスのようなベア基板４４が、この最上部に置かれる。レーザビーム４６が、透明基板４４を経由して照射される。金薄膜が、ターゲット４０から基板４４に転送される。膜４２と基板４４の間のギャップ４８は、０〜１０００μｍ、より好ましくは０〜１００μｍの範囲で変動できる。裏面導入ＰＬＤのプロセスは、米国特許第７，６０８，３０８号明細書及び２００９年３月９日に出願された米国特許出願第１２／４００，４３８号明細書とに更に説明されている。ある事例で、レーザ電力とバースト周波数とバーストあたりのパルス数は、５Ｗと２００ｋＨｚと１個のパルスに、各々、設定されていた。
【００２５】
図５は、ラマン散乱測定を行うための略図を示す。本発明に係る方法により形成したＳＥＲＳ活性金属の表面をもつ基板６０が、検体を含有する溶液６４が充填されている容器６２に面して置かれている。検体はＳＥＲＳ増強の評価のために用いる。レーザビーム６６は、基板６０のＳＥＲＳ活性金属の表面に集光されている。溶液６４の蒸発を防ぐために、ガラス・カバー６８が容器６２の最上部に置かれている。可動ＸＹＺステージ７０は、基板６０に対するビーム６６の位置と焦点とを調整するために用いられる。金でコーティングしたＳＥＲＳ基板６０の場合、励起レーザの波長は６３３ｎｍ、スリット幅は５０μｍ、スリット密度は１８００ライン／ｍｍ、レーザ・スポット・サイズは１０μｍである。銀でコーティングしたＳＥＲＳ基板６０の場合、励起レーザの波長は５１４ｎｍ、スリット幅は５０μｍ、スリット密度は１８００ライン／ｍｍ、レーザ・スポット・サイズは５μｍである。
【００２６】
図６Ａは、サファイア基板上のＳＥＲＳ活性金属としての金の膜の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の画像を示す。これらの画像で、図３Ａで述べたような金の厚み勾配を本発明に係る方法により作成した。領域Ａは７ｍｍの長さ、金の膜の厚みは、その長さにおいて、０〜７ｎｍである。金薄膜の成長のために用いたレーザ電力とバースト周波数とバースト毎のパルス数は、各々、６．５Ｗ、１ＭＨｚ、２個のパルスである。基板上への金の堆積速度は約０．０３ｎｍ／秒である。前述のように、マスクを用いて厚みの変化を形成した。図６Ａの画像１〜４の厚みは、各々、１、３、５、７ｎｍである。図６Ｂは、カーボンでコーティングしたＴＥＭ格子上に形成した金のナノ粒子の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像である。厚みは３ｎｍである。この結果から、ナノ粒子には少なくとも二つの集団があり、一つは直径が２〜１０ｎｍの粒子経であり、他方は直径が約２５〜５０ｎｍの粒子経であることが分かる。これらの二つの集団の比率は、金の膜の設計厚み又は成長条件を変更すると調整できる。
【００２７】
図７Ａでは、ラマン強度信号と、本発明に係る方法により作成したＳＥＲＳ活性金属の基板、又は市販のＳＥＲＳ基板、Klarite（登録商標）の何れかを用いて水中の０．２重量％ピリジン溶液から得た蛍光背景信号とを比較している。本発明に係る方法により作成したサンプルは、ＳＥＲＳ活性金属としての金の厚み勾配を有する基板を備えていた。基板は図３Ａで述べたようにして作成した。領域Ａは、７ｍｍの長さで、厚さが、０〜７ｎｍで変化する厚み勾配である。本発明に係る方法により金薄膜を成長させるために用いたレーザ電力とバースト周波数とバースト毎のパルス数は、各々、５．３Ｗ、１ＭＨｚ、２個のパルスである。堆積速度は約０．０３ｎｍ／秒である。市販のＳＥＲＳ基板であるKlarite（登録商標）を、本発明の基板と比較するための基準として用いた。Klarite（登録商標）の装置を、金でコーティングしたシリコン・ウェハに形成した。４ｍｍ×４ｍｍでパターン化した領域は、図ではKlarite（登録商標）センサとして示し、非パターン領域は、Klarite（登録商標）非センサとして示している。これらの測定の積算時間は、Klarite（登録商標）の場合に１００秒、本発明に係る基板の場合に２００秒である。図７Ａのデータは、３ｎｍの膜厚の周辺に、ラマン強度のピークと蛍光背景信号が、この厚みでは妥当な低さであることを示している。ＳＥＲＳ増強が、非センサ領域と比べると、Klarite（登録商標）のセンサ領域で観察されるが、この信号はそれほど強くなく、コーティングの３ｎｍのレベルで本発明に係る基板で得た信号ほど強くない。また、Klarite（登録商標）の蛍光背景信号は、短い積算時間にもかかわらず非常に大きい。蛍光背景信号は積算時間が増えるにつれて増えるが、ピーク・カウントは積算時間の長さによって変わらない事実は、注目する価値がある。Klarite（登録商標）の非センサ領域は、低い蛍光背景を有するが、特に十分なＳＥＲＳ信号増強を有していないことも注目すべきである。
【００２８】
図７Ｂは、本発明に係る方法により作成した３ｎｍ厚みの金の膜と、市販の基板であるKlarite（登録商標）とを、０．２重量％ピリジン溶液の検出において比較している。曲線８０と８６は本発明に係る金の膜であり、曲線８２と８４はKlarite（登録商標）の結果である。スペクトルの背景は、曲線８０と８２の比較のために取り去っている。図は、本発明に係る方法により作成したＳＥＲＳ基板が、Klarite（登録商標）と比べると非常に高い信号増強を呈することを明確に示している。図の挿入部は、両方の基板に対して、蛍光背景を含有する生のラマン信号を示している。Klarite（登録商標）は、遙かに高い背景と遙かに低いＳＥＲＳ信号増強を有している。これらの測定の積算時間は、Klarite（登録商標）の場合に１００秒、本発明に係る方法により作成した金の膜の場合に２００秒である。本発明で別の注目すべき結果は、界面活性剤の含まれない水溶液中の金のコロイドが、一般に赤外吸光分光によってのみ約１４００ｃｍ−１等のピークが観察可能な、ピリジン分子の他の四つのラマン不活性振動モードを成功裏に検出できたことである。本発明の基板によれば、界面活性剤を金の表面に有している必要がないので、この特長を本発明で検出可能であり、更に試験片の特徴付けにも有益である。
【００２９】
これらの結果は、本発明の有用性と価値を示す。開示した発明は、基板に金をコーティングする際のステップが一つだけですむので、ＳＥＲＳ検出のための商業用基板の製造に非常に有望である。このプロセスは、比較的高速で、廉価で、再現性も高い。更に、開示した発明は、マスクを用いてＳＥＲＳ活性金属の量を調整すると、金又は他のＳＥＲＳ活性金属の対象範囲を容易に最適化できる。従って、検出している構成部品と選択した活性金属とに基づいて、膜厚の勾配を最初に定めて、最良の信号を呈するものを選定し、そのレベルでＳＥＲＳ活性金属でコーティングした別の基板をつくることができる。他に開示した方法と異なり、ＳＥＲＳ活性金属の必要量は非常に少ない。例えば、前述のように、金の３ｎｍの厚みは、ピリジン検出に対して非常に効果的に機能した。他の従来技術で開示した方法は、適正な信号を呈するために、すべてが、ＳＥＲＳ活性金属のコーティングに関して、１００ｎｍ〜５００ｎｍの厚みを必要としている。従って、この方法は、驚異的な材料コストの節減を可能にする。
【００３０】
２００ピコ秒未満のパルス幅をもつ超短パルスレーザを用いるパルスレーザ堆積は、この方法では好都合である。しかし、類似のナノ粒子の凝集構造が、ナノ粒子のサイズと分散とを制御しながら、１００ｍｂａｒを超える高圧のスパッタリング・プロセス又はナノ秒のパルスレーザを用いるＰＬＤのような物理的気相堆積技術を用いると得ることができると、類似のＳＥＲＳ増強が実現すると期待される。例えば、ナノメータ・サイズのシリコン結晶は、高圧の不活性ガスのもとでパルスレーザで堆積して製作していた（吉田ら、「一定圧力の不活性ガスのもとでエキシマ・レーザで溶発（アブレーション）して作成したナノメータ・サイズのシリコン結晶（Nanometer-sized Silicon Crystallites Prepared By Excimer Laser Ablation In Constant Pressure Inert Gas)」、アプライド・フィジックス・レターズ(Appl. Phys. Lett.)、第６８巻、ｐ１７７２−１７７４、１９９６年参照。）。
【００３１】
そのうえ、本発明によれば、基板はＳＥＲＳ活性金属の薄膜を成長させるために加熱する必要がないので、有機膜や金属薄膜のような熱に弱い材料をＳＥＲＳ活性金属でコーティングした基板として使用できる。これらの基板の事例では、ポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）のような高分子膜、スコッチ（登録商標）テープのような片面又は両面粘着テープ、ステンレス鋼、Ｃｕ、Ａｌのような金属シート、Ｓｉのような半導体、ガラス、Ａｌ２Ｏ３、ＳｒＴｉＯ３、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、ＢａＴｉＯ３のような金属酸化物を含んでいる。好都合に、本発明に係る方法により作成したナノ構造は、ナノ粒子、ナノ粒子の凝集体、ナノワイヤ、ナノロッド、ナノチューブ、ナノシート、又はこれらの混合物を含んでいる。この構造がナノ粒子を含んでいる時に、好都合に、それらは、１ｎｍ〜１０００ｎｍ、より好ましくは２ｎｍ〜１００ｎｍのサイズを有している。
【００３２】
本発明に係る方法により基板に堆積したＳＥＲＳ活性金属の薄膜は、前述のように、基板表面と直接的に接触する必要がない。別の材料の薄膜層を、基板表面とＳＥＲＳ活性金属の薄膜との間に設けることができる。例えば、次の実験では、ガラスの基板を、バースト・モードＰＬＤを用いてＴｉＯ２の薄膜で予めコーティングずる。ＰＬＤパラメータを変えて、異なる粗さをＴｉＯ２コーティングでつくるようにできる。この基板を、本発明に係るＳＥＲＳ活性金属としての金の２０ｎｍ厚みの層、又は１００ｎｍ厚みの層でコーティングする。バーストパルスを特に数多く用いると、最終的な薄膜の表面が、より滑らかになる。そこで、最初にガラス基板を予めコーティングするために、滑らかなＴｉＯ２薄膜を、バーストあたり２３個のパルスを使用し、５Ｗと１ＭＨｚのレーザ電力を用いて、領域Ａ、Ｂ、Ｃにコーティングする。次に、領域ＡとＢを、バーストあたり５個のパルスを用いて、ＴｉＯ２の薄膜で再びコーティングする。このようにして、Ｃと比べると、より粗いコーティングをＡとＢに形成した。最後に、最も粗いＴｉＯ２薄膜を、バーストあたり一つのパルスを用いてコーティングすることにより領域Ａに形成した。領域Ｄはベアガラス基板として保持し、そこに金だけコーティングした。次に、領域のすべてを、本発明に係るＳＥＲＳ活性金属としての金の厚みが２０又は１００ｎｍである膜を用いてコーティングした。レーザ電力とバースト周波数とバーストあたりのパルス数は、金の膜を成長させるために、５．３Ｗ、１ＭＨｚ、バーストあたり２個のパルスとして各々設定した。金の膜を、ＴｉＯ２膜に対して垂直に成長させた。図８は、２０ｎｍの厚みの金の膜をもつ四つの領域Ａ〜Ｄの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。本発明者は、１００ｎｍ厚みの金の膜も、（図示を省略しているが、）類似の表面モホロジーを有することを確認した。
【００３３】
図９は、水中のピリジンの０．２重量％溶液のラマン信号を、図８の様々なＳＥＲＳ基板を用いた検出結果として示している。スペクトルは次の基板に対応している。曲線１は市販品のKlarite（登録商標）である。曲線２は、中間表面荒さのＴｉＯ２である、領域Ｂの金の厚さは１００ｎｍである。曲線３は、滑らかなＴｉＯ２である、領域Ｃの金の厚さは１００ｎｍである。曲線４は、ベアガラスである、領域Ｄの金の厚さは１００ｎｍである。曲線５は、粗いＴｉＯ２である、領域Ａの金の厚さは１００ｎｍである。曲線６は、ベアガラスである、領域Ｄの金の厚さは２０ｎｍである。曲線７は、中間表面荒さのＴｉＯ２である、領域Ｂの金の厚さは２０ｎｍである。曲線８は、滑らかなＴｉＯ２である、領域Ｃの金の厚さは２０ｎｍである。曲線９は、粗いＴｉＯ２である、領域Ａの金の厚さは２０ｎｍである。
【００３４】
データは、１００ｎｍの表面が２０ｎｍの表面よりも遙かに優れた増強を呈したことを明確に示している。これは、金の断面が、最良の増強に関して、２０ｎｍ厚みの膜に十分な大きさの量を有していないことを恐らく意味している。他方で、１００ｎｍの厚みの金の膜は、より高いＳＥＲＳ増強を呈しているが、それらは、より高い蛍光背景信号も有している。ＳＥＲＳ基板の従来の知見に基づいて、ＳＥＲＳ活性金属のより粗い表面が、より高いＳＥＲＳ信号を示すと期待されていた。明白な表面荒さ効果はＳＥＲＳ増強のデータに見受けることができなかったが、より粗い表面が、図の結果が示すように、蛍光背景信号の低減に役立つと考えられる。
【００３５】
次の実験では、Klarite（登録商標）と、図４に示した金の裏面導入ＰＬＤ、又は金のＤＣ磁気スパッタリングを用いて、本発明に係る方法により作成した基板とを比較している。図１０Ａは、水中におけるピリジンの０．２重量％溶液のラマン信号を、Klarite（登録商標）基板を用いた場合を曲線１に、裏面導入ＰＬＤを用いた場合を曲線２に、ＤＣ磁気スパッタリングを用いた場合を曲線３に示している。ＤＣ磁気スパッタリングで、厚み２．５ｎｍの金を形成した。ＳＥＲＳ増強が、すべての三つの基板に対して観察されていた。スペクトル曲線３のＳＥＲＳ増強はKlarite（登録商標）ほど優れていないが、蛍光背景は減少ずる。裏面導入ＰＬＤ膜も、優れたＳＥＲＳ増強を曲線２で示している。金属粒子の線幅と線密度と粒径分布は、裏面導入ＰＬＤを用いて、ラマン増強を最適にするように工夫できる。裏面導入ＰＬＤの場合、金属層の表面被覆率は、図１０Ｂに示すように、１００％以上になり、ＳＥＲＳ増強を示すことが可能である。図１０Ｂは、裏面導入ＰＬＤで作成した金のＳＥＲＳ膜のＳＥＭ画像である。裏面導入ＰＬＤの金の膜が、約５２０ｎｍの吸光ピークを有する金のプラズモン周波数に対応する、赤色を有することは注目に値する。
【００３６】
裏面導入ＰＬＤは、ここでＳＥＲＳ基板をつくるために用いる。パルスレーザ堆積を用いる類似の印刷技術をＳＥＲＳ基板にも用いる。図４で述べた構成を他の印刷のために修正できる。ターゲット４０は、金属コーティングの印刷のために金属薄膜と置き換えることができる。これは、裏面導入パルスレーザ堆積と見なすこともできる。又は、レーザビームをターゲット４０を経由して照射すると、金属を基板４４にコーティングできる。ここでは、表面導入パルスレーザ堆積とも呼んでいる。その場合、基板４４は、レーザビームに対して透過性又は非透過性の何れかになり、どちらでも構わない。
【００３７】
次のシリーズの実験で、ＳＥＲＳ増強による事前コーティングの表面の効果について調べた。ガラス基板を、１００ｎｍの推定厚みに、スパッタ・コータを用いて、金又は白金の何れかで初めにコーティングした。スパッタ条件は、次に示すように、４０ｍＡ、０．８ｍｂａｒ、３００秒である。次に、ＳＥＲＳ活性金属としての金薄膜を、本発明に係るＰＬＤを用いて、これらを予めコーティングしていた基板に成長させた。金薄膜に適したＰＬＤレーザ条件は、レーザ電力６．５Ｗ、１ＭＨｚのバーストの繰返周波数、バースト毎に２個のパルスである。堆積速度は約０．０３ｎｍ／秒である。金の膜を３ｎｍの厚みにコーティングした。水中でピリジンの０．２重量％溶液のラマン信号を基板に対して定めた。図１１は結果を示す。スペクトルは下記の通りである。曲線１は、金を予めコーティングした試料の上の金の膜である。曲線２は、金の膜をベアガラスにコーティングした試料である。曲線３は、金の膜のないベアガラスである。曲線４は、金のコーティングのない、白金で予めコーティングした試料である。曲線５は、白金を予めコーティングした試料の上に成長させた金の膜である。推定通りに、曲線３のベアガラスにはＳＥＲＳ増強が確認できない。曲線１と２は、金を予めコーティングした試料又はベアガラスの何れかに堆積した金の膜に、ＳＥＲＳ増強が観察されていることを示す。信号増強は、ガラスに金を予めコーティングした試料がベストに見えるが、ＳＥＲＳ増強に対する粗い表面の重要性を示している。白金を予めコーティングしただけの試料又は本発明に係る方法により金をコーティングした後で、曲線４と５は、各々、弱いＳＥＲＳ増強だけを示している。これらの結果は、ＳＥＲＳ活性金属の下でコーティング材料を変えると、ＳＥＲＳ増強を工夫できることを示している。
【００３８】
ラマン活性金属のもとでのコーティングについて、考慮すべき様々な材料がある。即ち、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｕのような金属、及びＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎを含めた３ｄ遷移金属酸化物のような金属酸化物である。
【００３９】
図１２Ａは、厚み勾配を有する、サファイア基板上の銀薄膜のＡＦＭ画像を示す。図３Ａで述べた厚み勾配領域Ａは、７ｍｍの長さである。設計厚みは、０ｎｍ〜１４ｎｍの範囲で変動する。用いた銀薄膜を成長させるためのレーザ電力とバースト周波数とバーストパルスの数は、各々、７．３Ｗ、１ＭＨｚ、２個のパルスである。堆積速度は約０．０６ｎｍ／秒である。画像１〜４の指定厚みは、各々、２、６、１０、１４ｎｍである。図１２Ｂは、カーボンでコーティングしたＴＥＭ格子上に形成した銀のナノ粒子の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像を示す。設計厚みは１ｎｍである。結果から、我々は、前述の金の膜に対して見受けられたものと同様に、異なるサイズのナノ粒子の少なくとも二つのグループを指摘できる。第１のグループは、粒子サイズが約２〜１０ｎｍの直径である。第２のグループは、粒子サイズが約１０〜１００ｎｍの直径である。これらの粒子の異なるサイズのグループの比率及び／又は量は、銀薄膜の設計厚み又は成長条件を変えると調整できる。この銀薄膜の粒子の第２のグループの集団は、金薄膜で既に見受けられたものより小さいように見える。その結果は、金と銀の間の溶発閾値における違いから生じると思われる。
【００４０】
別のシリーズの実験では、本発明を用いて、ＳＥＲＳ活性金属の銀の膜厚勾配をガラス基板に形成した。膜厚勾配の長さは２０ｍｍである。銀の厚みは０〜１０ｎｍの範囲で変動させた。膜厚勾配の成長に適したレーザ条件は下記の通りである。レーザ電力が１Ｗ、バースト周波数が１００ｋＨｚ、バーストあたり８個のパルスである。図１３は、基板を用いる時の水中におけるピリジンの０．２重量％溶液のラマン信号を示す。スペクトル曲線は下記の通りである。曲線１は銀の１０ｎｍ膜厚の場合である。曲線２は銀の５ｎｍ膜厚の場合である。曲線３は銀の１ｎｍ膜厚の場合である。最大のＥＲＳ増強が、曲線１で、１０ｎｍの厚みで銀をコーティングした基板で観察された。結果は、図７の金に対して示したものと同様に、銀の場合では、本発明を用いると、基板上の銀のＳＥＲＳ増強を容易に最適化することができる。あるＳＥＲＳ活性金属の基板上での最良の厚みは、活性金属を識別することで決定し、事前のコーティング又は識別すべき分子の影響を受けることが明らかである。
【００４１】
前述の幾つかの実施例では、ＳＥＲＳの基板について説明した。表面増強共鳴ラマン分光（ＳＥＲＲＳ）、表面増強ハイパー−ラマン分光（ＳＥＨＲＳ）、表面増強コヒーレント・アンチ−ストーク・ラマン分光（ＳＥＣＡＲＳ）又は表面増強赤外線吸光（ＳＥＩＲＡ）も、ここで開示したようにして作成した類似のナノ粒子の薄膜構造から類似の増強を示すと予測される。薄膜における異なるサイズのグループの混合物の重要性は、プラズモン周波数が、薄膜における粒子のこれらの異なるグループの比率又は量を修正すると正確に調整できることを意味すると理解できる。従って、ある実施例では、０．５〜１０ｎｍの粒径の範囲で粒子の一つのグループをもち、１０〜１０００ｎｍの粒径の範囲を有する別のグループをもつことが好ましい。
【００４２】
ナノ粒子の無秩序性は、増強ラマン分光に関する信号の安定性及び他の本発明の顕著な効果に対しても重要な役割を演じる。この無秩序な構造は、画像領域のスケールが２μｍ以上の場合は、安定した再現性のあるラマン増強を得るうえで非常に効率的に機能する。ナノ粒子は撮像又は検出領域と比べると十分に小さいので、表面は均一していると想定できる。
【００４３】
要約すると、発明者は、物理的気相堆積方法、特に、超高速パルスレーザを用いるパルスレーザ堆積や裏面導入ＰＬＤやスパッタリング堆積を使用する、表面増強ラマン分光（ＳＥＲＳ）に適した基板を作成する方法及び装置を開示した。提供した方法は、高速で廉価で、再現性も高い。そのうえ、開示した方法は、市販品のKlarite（登録商標）を用いて観察される特性より、かなり高い増強を提供する。この方法は、多種多様なＳＥＲＳ活性金属を使用するために適応できて、分析対象の異なる条件や基板や化合物を容易に調整できる。この方法は、化学的又は生物学的な特異性や感度を増強するためにプラズモン結合を用いる表面増強赤外線吸光（ＳＥＩＲＡ）を含めて、多種多様な分光の使用に更に適応できる。この方法は、以前の方式と比べると、非常に僅かの活性金属を用いて、増強を実現できる。本発明の単一ステップのプロセスは、従来のシステムと比べると、ＳＥＲＳ基板を製造する時間が大幅に減少する。本発明に係る方法により開示したＳＥＲＳ基板とプロセスは、表面増強共鳴ラマン分光（ＳＥＲＲＳ）、表面増強ハイパー−ラマン分光（ＳＥＨＲＳ）、又は表面増強コヒーレント・アンチ−ストーク・ラマン分光（ＳＥＣＡＲＳ）にも使用できる。前述した発明の説明は、関連する法的な基準に準じて述べてきたので、その記載事項は、限定的に理解すべきではなく、例示的なものである。開示した実施例に対する当業者には自明な変形や修正は、当然に、本発明の技術的範囲に属する。従って、本発明が主張する法的保護の範囲は、次に示す特許請求の範囲の記載を精査理解することで決定できる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ−Ｂ】
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【図８Ｃ−Ｄ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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