針尖增強拉曼散射在納米結構識別中的應用.pdf

1、對微觀世界的探索一直是人類孜孜不倦的追求，科學家們發(fā)明了各種各樣的技術來觀察、了解微觀世界，并開始控制、設計微觀世界的結構和性能，開啟了納米科技時代。然而目前常規(guī)的納米尺度上的分析技術功能都比較單一，如掃描隧道顯微鏡具有高空間分辨的能力但化學識別能力非常有限，而光譜技術具有很強化學識別能力和超快時間分辨率，但空間分辨率受制于光學衍射極限。隨著科學與技術的不斷深入，科學界對實現(xiàn)納米尺度上的高分辨化學識別的要求越來越迫切。
　　針尖增

2、強拉曼散射（Tip enhanced Raman scattering，TERS）技術是一項新興的納米尺度下的表面分析技術。在我們的前期工作中，我們在單個孤立的分子上原理性地展示了TERS技術具有亞納米的高空間分辨和豐富的化學識別能力，預示著這項技術在表面分析領域有非常廣泛的應用前景。本論文的主要工作是在超高真空低溫的環(huán)境中構造出一維、二維甚至三維的各種復雜的納米結構，然后利用亞納米分辨的TERS技術，對這些納米結構進行高空間分辨的化學

3、成像，展示TERS技術在復雜環(huán)境中的表現(xiàn)形式，為TERS技術在納米材料、納米器件、表面化學以及生物科學等方面的更廣泛的應用奠定基礎。
　　第一章是緒論。我們簡單介紹各種高空間分辨的化學識別技術，回顧TERS技術的發(fā)展歷程。通過充分利用納腔等離激元的寬頻、局域與增強特性，新興的TERS技術具有亞納米空間分辨的化學識別能力，已經(jīng)發(fā)展成為一種新的表面分析方法。
　　第二章研究緊鄰不同分子的實空間TERS光譜識別。我們利用掃描隧道顯

4、微鏡控制的非線性TERS技術，采取線掃描方式，對表面上兩種結構相似的卟啉衍生物分子進行TERS表征，展示了TERS技術可以對接觸距離在范德華相互作用范圍內（約0.3 nm）的相鄰不同卟啉分子進行清晰的化學識別，所測得的拉曼光譜具有各自特征的振動“指紋”，能夠明顯區(qū)分分子的“身份”和結構。結合簡單的理論模型和計算，我們還進一步推測了分子在表面上的吸附構型。
　　第三章研究若干卟啉分子組裝結構的TERS成像及其全譜分析方法。我們利用T

5、ERS成像技術，對卟啉分子組裝成的二聚體、分子鏈和分子島等納米結構進行全景式的拉曼光譜成像表征。我們首先使用模式分析方法，研究不同納米結構中的各個振動模式的空間分布，并指出該方法在結構識別方面的局限性。最后我們使用基于頂點成分分析的多變量全譜分析方法，對納米結構中的各種組分進行了清晰的識別和分類。這項研究拓展了TERS成像的分析能力，為使TERS發(fā)展成為更加常規(guī)的表面分析技術奠定了基礎。
　　第四章研究第二層卟啉分子的TERS特性

6、。我們對不同層卟啉分子的TERS光譜進行了比較研究。研究表明，直接吸附在金屬表面的第一層卟啉分子的TERS光譜與吸附在第一層分子上的第二層分子的TERS光譜具有顯著的差異。相較于第一層的卟啉分子，第二層的卟啉分子表現(xiàn)出迥然不同的振動模式和更強的拉曼活性。由于第二層蒸鍍滿層的樣品可以測得遠場拉曼信號，我們還從第二層卟啉分子的TERS信號中估計出TERS增強因子高達1010的量級。此外，從第二層卟啉分子的TERS背景中，我們還提取出來自分子

7、的熒光和熱熒光信號，暗示著在第二層卟啉分子的TERS測量中，有其他過程的參與。這項研究拓展了TERS對三維結構的表征，為TERS研究更加復雜的納米結構打下基礎。
　　第五章研究單根碳納米管的TERS光譜成像。我們利用超高真空低溫TERS技術研究碳納米管的拉曼光譜，將TERS在碳納米管上的空間分辨率進一步提高到亞納米量級，并使用該技術清晰地展示了碳納米管上的缺陷分布，直接測量了被缺陷散射的電子空穴對的馳豫長度。我們清晰地觀察到彎曲的