银纳米结构表面等离子体共振的调控及其在表面增强拉曼散射中的应用
伴随着纳米科技的不断进步,各种不同组分、尺寸和形貌的贵金属纳米结构层出不穷.银作为目前已知的表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)活性最强的金属,在高灵敏度生物化学检测和传感等方面表现出巨大的应用潜力,从而受到了人们的广泛关注.本工作在深入研究银纳米颗粒阵列光学响应的基础上,主要致力于通过干法工艺制备高性能的表面增强拉曼散射(Surface Enhanced-Raman Scattering,SERS)基底,并实现对分析物的痕量检测和原位检测.本工作采用等离子体刻蚀、离子溅射、热退火等工艺,将Ag纳米颗粒与三维纳米结构衬底有机结合,获得了三维分布的高密度"热点",实现了高增强因子、高均一性和重复性SERS基底的大面积、低成本制备.主要研究成果如下:1、利用具有六角排列凹坑阵列的铝模板结合薄膜沉积与退火实现了对银纳米颗粒结构和光学响应的调控.通过控制铝模板的结构,银膜厚度及退火温度,实现了对银纳米颗粒形貌、尺寸(5 nm–100 nm)、颗粒间距(3 nm–100 nm)及分布形态的调节.在此基础上,研究了小尺寸(30 nm)银纳米颗粒阵列的光学响应.实验观察到了明显的四极等离子体共振模式,表明Ag纳米颗粒之间产生了强烈的耦合效应,这种耦合效应同时也导致偶极共振模式随着颗粒间距的减小而红移(80 nm).此外,我们还通过电磁模拟证实了我们对实验现象的解释.由于四极共振模式是小尺寸金属纳米颗粒间强烈耦合的标志,而这种电磁耦合引起的电场增强正是SERS电磁增强机制的来源,因此四极模式的出现可视为SERS基底高灵敏度的指示,拉曼测量证实耦合的阵列具有更高的SERS活性,对罗丹明6G(R6G)的检测极限可达10-9 M.2、利用无掩模的氧等离子体刻蚀单晶硅获得了硅纳米锥阵列,并以此为衬底构筑了高灵敏度的三维SERS基底.制备的硅纳米锥顶部直径约15 nm,底部直径约35 nm,高度约150 nm,面密度达650μm-2.通过优化这种硅纳米锥溅射镀银的时间实现了银纳米颗粒间强烈的电磁耦合,从而获得了极高的SERS活性,增强因子达1012,对R6G的检测极限达到10-13 M,同时具有优异的均一性,信号的相对标准偏差约为5%.该基底对痕量(10-7 M)的邻苯二甲酸二甲酯(DMP)也有很好的分辨能力,揭示了这种基底在污染物检测方面的应用潜力.此外,我们还利用原位氧化铝模板结合金属辅助化学刻蚀获得了高密度三维硅纳米线阵列.通过调节氧化铝模板的结构和化学刻蚀的条件实现了对硅纳米线直径和长度的有效控制,通过超临界干燥获得了垂直、分立的硅纳米线阵列.硅纳米线三维阵列结构的高度可控性为进一步制备高活性的SERS基底奠定了基础.3、利用氧等离子体刻蚀聚对苯二甲酸二甲酯(PET)膜,获得了纳米丝阵列,并构筑了柔性SERS基底.银纳米颗粒负载的纳米丝阵列提供了多种类型的"热点",提高了SERS基底的活性和检测灵敏度,对R6G的检测限为10-8 M,同时表现出良好的可重复性.更重要的是,由于PET薄膜柔韧性好,透明度高,这一基底可用于对不规则物体表面分析物的原位检测,我们利用该基底成功地实现了对水果表面微量分析物的原位检测,表明这种类型SERS基底在日常生活中特别是蔬果表面农药残留方面的应用潜力.
- 作者：
- 朱凯
- 学位授予单位：
- 安徽师范大学
- 专业名称：
- 凝聚态物理
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2016年
- 导师姓名：
- 左则文
- 中图分类号：
- O614.122；TB383.1
- 关键词：
- 局域表面等离激元；表面增强拉曼散射；银纳米颗粒；硅纳米线
- Localized Surface Plasmon Polariton； Surface Enhanced Raman Scattering； Silver Nanoparticles； Silicon Nanowires