金属纳米结构SERS基底的制备及其活性研究

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拉曼散射效应是一种非弹性散射效应,入射光在介质表面散射后频率发生变化,此种频率的变化包含着散射界面分子的振动能量或转动能量的信息,但较弱的散射强度限制了拉曼散射的应用范围。1974年,Fleishmann等人发现的表面增强拉曼散射改变了这一状况,粗糙的散射表面显著的增强了拉曼散射的强度,这一结果使得表面增强拉曼散射(SERS)在痕量污染物检测、单分子光谱和生物医学方面具有了很好的应用前景。目前,已有很多具有显著增强因子的SERS基底研制成功,但其所存在的制备成本高、稳定性和重复性差等问题,均阻碍了SERS的广泛应用。  本论文的主要工作为制备不同材质的SERS基底,检验其增强效果;通过改进实验方法、搭配辅助手段来提高基底的SERS能力。  首先,制备具有金属纳米结构的SERS基底。利用湿法刻蚀在硅片上得到周期为1.4 um的四方阵列倒金字塔结构。利用磁控溅射镀膜技术在具有倒金字塔结构的硅质基底上溅射出厚度为百纳米量级的金膜、银膜,即得到了本文所需的SERS基底。通过控制镀膜工艺,调整速率和气氛,在溅射镀膜的过程中会在样品的表面形成大量的金、银纳米结构,此类结构的直径在几十纳米左右,对于实现SERS的效果起到了重要的作用。  接下来,尝试利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)批量复制SERS基底以降低生产成本。在真空环境下,PDMS在具有周期性倒金字塔阵列结构的硅质基底表面缓慢固化,冷却后得到具有周期性正金字塔阵列结构的PDMS基底。同时在此基底表面重复溅射镀膜的工艺。  最后,以有色染料若丹明(R6G)为探针分子,分别在镀金硅基底、镀银硅基底和镀金PDMS基底上检测了物质的量浓度为1um/L的R6G溶液,均得到了较为明显的R6G的拉曼增强信号,实验结果证明了利用PDMS来复制增强基底的方法是可行的。计算了增强效果最强的镀金硅基底的增强因子,并将其与含有银纳米颗粒的银胶相组合,组合体系达到了双重增强的效果,能够检测出0.01 um/L的R6G溶液的拉曼特征峰。利用有限元的方法,对倒金字塔结构局域电场的增强效果进行了定性的分析。同时,检验外加电场和温度变化对SERS结果的影响,发现施加电场和降低温度都是增强SERS信号强度的有效手段。
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