银纳米线-二硫化钨(二硫化钼)复合结构的表面增强拉曼散射的研究

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表面增强拉曼散射技术(SERS)是一种简单高效的光谱分析技术,特别在微小分子的检测方面具有极大的潜能。因此,它被广泛应用在材料、生物和化学等领域中的微观物质检测和探究。然而,影响该技术发展的一个重要因素是如何获得灵敏度高、制备过程简易且再现性好的SERS基底。鉴于贵金属纳米材料(金或银)具有局域表面等离子体共振(LSPR)效应,可以产生很多“热点”来增强拉曼信号,经常被用作SERS基底材料。近年来,二维过渡金属硫化物尤其是二硫化钨(WS2)和二硫化钼(Mo S2),因具有优异的光电性能、极强的吸附性和较大的比表面积,是优良的载体材料,也可以被用作SERS基底材料。本论文将有效结合贵金属和二维材料基底的SERS效应,构建贵金属银纳米线(Ag NWs)与WS2(Mo S2)复合结构,期望获得灵敏度高、重复性好和稳定性强的SERS基底,主要研究内容如下:(1)结合多元醇还原法和种子法,成功制备了表面光滑、直径可控在100-700 nm的Ag NWs。利用低压化学气相沉积法成功制备出不同层数的WS2,并研究了生长温度、载气流量和前驱物的质量比对WS2薄膜的影响以及氯化钠对WS2生长的辅助作用,在最佳生长条件下可获得尺寸为90μm的三角形单层WS2。此外,在常压下,利用化学气相沉积法调节不同生长参数(载气流量、S粉质量、Mo O3的生长温度等)制备出形貌较好、层数可控的三角形Mo S2,其中最大的边长为26.2μm。(2)设计了一种新型的SERS活性基底,即将双根并排的Ag NWs放置在三角形层状WS2的表面上形成Ag NWs-WS2纳米复合结构。以罗丹明RG(R6G)为探测分子,对比研究了单纯的Ag NWs、WS2和Ag NWs-WS2复合结构的拉曼信号。结果表明:与纯Ag NWs相比,Ag NWs-WS2复合结构对在613 cm-1处R6G分子的拉曼信号增强可提高6倍,说明所设计的Ag NWs-WS2复合结构具有优异的SERS能力。此外,还研究了该复合结构的SERS强度与入射光的偏振角度的依赖关系(Sin函数关系)。最后,通过有限元方法比较了在Si O2衬底上Ag NWs和Ag NWs-WS2的表面等离子体电场分布和大小,以此说明了复合结构的较强的SERS可归因为电场热点效应。同时,还分析了入射光的波长、WS2的厚度以及双根Ag NWs的间距对最大电场强度的影响。(3)设计并构建Ag NWs-Mo S2复合结构SERS基底,并通过实验验证了该复合结构基底的较强的SERS能力及偏振依赖性。实验结果表明:该复合结构基底对R6G分子的拉曼信号增强强度是纯Ag NWs的5倍,说明该复合结构作为SERS活性基底发挥了显著作用。此外,Ag NWs-Mo S2复合结构基底对入射光偏振态的依赖关系与Ag NWs-WS2基底一致。基于有限元方法对比了在Si O2衬底上的Ag NWs和Ag NWs-Mo S2的表面等离子体电场分布,研究发现:分布在Ag NWs-Mo S2上的电场总强度是Ag NWs的2倍。同时,讨论了入射光的波长对最大电场强度的影响,结果表明:当其到达630 nm,可实现电场强度最大。
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