有序納米結(jié)構(gòu)的制備及其表面增強(qiáng)拉曼散射特性的研究.pdf

1、自從1974年，英國(guó)南安普頓大學(xué)的Martin Fleischmann發(fā)現(xiàn)表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)現(xiàn)象以來(lái)，SERS引起了科學(xué)研究人員的廣泛關(guān)注，并在單分子光譜檢測(cè)、痕量污染物檢測(cè)和生物醫(yī)學(xué)等方面具有很好的應(yīng)用前景。目前文獻(xiàn)報(bào)道的SERS基底的平均增強(qiáng)因子為104-106。SERS基底的增強(qiáng)能力、制備的可重復(fù)性以及基底的穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步改進(jìn)和提高。目前SERS基底的制備普遍存在穩(wěn)定性差、不可重復(fù)或制備程序復(fù)雜、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，阻礙

2、了SERS在實(shí)際中的應(yīng)用。
　　 本論文采用簡(jiǎn)易、低成本的方法，制備出了大面積的有序納米結(jié)構(gòu)陣列，這些結(jié)構(gòu)具有良好的SERS增強(qiáng)性質(zhì)；并揭示了大周期有序納米結(jié)構(gòu)SERS基底增強(qiáng)的物理機(jī)理。主要研究成果內(nèi)容如下：
　　 納米壓印方法制備高增強(qiáng)因子SERS基底。以多孔氧化鋁為模板，采用熱蒸鍍的方法直接在模板上蒸鍍幾微米厚的銀膜，除掉模板后，獲得表面具有規(guī)則排列的納米鼓包Ag膜。此方法降低了對(duì)多孔氧化鋁模板的要求，有利于基底的

3、批量生產(chǎn)，并且制備的SERS基底具有良好的均勻性和可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)。以此作為SERS基底，測(cè)量了吡啶溶液(0.01 mol/L)在基底上的SERS光譜，基底的平均增強(qiáng)因子大于105。并在基底上獲得了濃度為2.5mg/L的三聚氰胺的SERS光譜，證明了所制備的SERS基底的實(shí)用性。
　　 全面揭示了周期為2μm四方排列的倒金字塔結(jié)構(gòu)Au膜SERS增強(qiáng)的物理機(jī)制是衍射效應(yīng)和局域等離子體增強(qiáng)共同作用的結(jié)果。FEM方法計(jì)算結(jié)果顯示，倒金字

4、塔結(jié)構(gòu)的排列周期為激發(fā)光波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，具有較強(qiáng)的局域電場(chǎng)增強(qiáng)；以三聚氰胺為探針?lè)肿訙y(cè)得SERS基底的平均增強(qiáng)因子為1.67×104，遠(yuǎn)大于理論計(jì)算獲得的局域電場(chǎng)增強(qiáng)因子，這種現(xiàn)象單靠衍射效應(yīng)不能解釋。由于倒金字塔結(jié)構(gòu)的周期大于激發(fā)光波長(zhǎng)，并且理論計(jì)算中的模型結(jié)構(gòu)表面為理想的光滑表明，入射光在這樣的結(jié)構(gòu)表面不能激發(fā)出表面等離子體，局域電場(chǎng)的增強(qiáng)來(lái)自結(jié)構(gòu)對(duì)入射激發(fā)光的衍射效應(yīng)；而試驗(yàn)中使用的SERS基底表面具有50nm尺寸的粗糙度，滿足光

5、激發(fā)表面等離子體的條件，因此，SERS基底上的局域電場(chǎng)增強(qiáng)為衍射效應(yīng)和局域等離子體增強(qiáng)共同作用的結(jié)果。采用不同倍數(shù)的物鏡獲得的反射光譜和SERS光譜強(qiáng)度的比較發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)間局域電場(chǎng)的耦合效應(yīng)能使SERS基底的增強(qiáng)因子增大1.2-1.6倍?；咨蟂ERS光譜的mapping圖像和NSOM圖像顯示了基底上增強(qiáng)因子的周期分布。
　　 高增強(qiáng)因子的“四足形”結(jié)構(gòu)SERS基底的制備。采用納米壓印方法，利用表面具有倒金字塔結(jié)構(gòu)的模板制備了“四

6、足形"的微納結(jié)構(gòu)陣列，在上面蒸鍍Au后做為SERS基底。由于制備過(guò)程中模板可重復(fù)使用，極大地提高了基底制備的可重復(fù)性。測(cè)量了lmg/L的三聚氰胺溶液在SERS基底上的拉曼光譜，實(shí)驗(yàn)上獲得SERS基底的平均增強(qiáng)因子為8x108?；咨蟂ERS光譜的mapping圖像和NSOM圖像顯示了增強(qiáng)因子的周期性分布。
　　 周期納米結(jié)構(gòu)陣列共振特性的模型建立與計(jì)算。模仿SERS光譜檢測(cè)的實(shí)際情況，建立了體積平均模型，采用3D-FDTD方法，