贵金属超结构图形阵列的制备及其SERS性能研究

Surface enhanced Raman spectroscopy as a powerful molecular spectroscopy technique, has been widely used in diverse fields which included chemistry, biology, medicine and environment. While it is difficult to obtain the surface enhanced Raman scattering (SERS) substrate with high sensitivity and high reproducibility simultaneously. Now, electron beam lithography method, combining template and chemical method etc. were used to improve the two aspects of SERS substrate. But on the substrate, the nanogaps between nanoparticles have not high density or non-uniform distributions. Therefore, in this subject, nano-pattern array of copper, gold and silver will be prepared by two-dimensional limited electrochenmistry growth. Then the superstructure with abundant and small nanogaps will be prepared on the above sample by metal ion replacement or secondary growth method. The uniform nanogaps with a higher density and the growth mechanism of hirarchical noble metal pattern array will be obtained. To understand the interaction mechanism between light, the probe molecule and nano structure, we will research the SERS performance and the electromagnetic field distribution of hirarchical noble metal pattern array. It has important academic value. Raman signal is high sensitivity, high reproductively and stability on such SERS substrate which has broad application prospect.

表面增强拉曼光谱作为一种高效的分子谱学技术，在生物、化学、医学和环境等领域有着广泛的应用。其中最关键的问题是难以获得同时具有高灵敏度和高重复性的SERS基底。目前，主要采用电子束微影法、模板法和化学法相结合等方法提高SERS基底的重复性和灵敏性。但是基底颗粒之间的间隙密度不高或者是分布不均匀。因此，本项目拟采用二维受限电化学方法生长Cu、Au和Ag纳米图形阵列，在此基础上使用置换反应以及二次生长方法构筑具有丰富超小间隙的超结构，从而获得分布均匀且密度较高的间隙，并揭示超结构图形阵列的生长规律。通过对贵金属超结构图形阵列的SERS性能和电磁场分布的深入研究，深入理解光与分子和纳米结构的相互作用机制，具有重要的学术价值。同时，贵金属超结构图形阵列用作SERS基底，检测信号具有高灵敏性、高重复性和稳定性，具有重要的应用前景。

本项目主要针对表面增强拉曼散射在各领域检测中，很难获得同时具有高重复性和高灵敏性的SERS基体问题，研究了二维受限电化学生长和模板法制备铜及贵金属超结构阵列的生长规律；贵金属超结构阵列热点分布，细微结构与局域等离子共振之间的关系；贵金属超结构阵列的SERS应用。取得如下主要研究结果：.1）深入研究了二维受限生长图形阵列的生长规律，获得了阵列分叉及周期形貌的影响因素：提高电压可以减少分叉；电流的周期振动致使单元结构成节状生长；通过减少电解质浓度，缩短阵列周期长度。.2）获得了间隙(~2 nm)分布均匀且密度高的Ag超结构阵列基体，检测灵敏度达109数量级，银超结构线阵列的信号增强相比网状阵列高出一个数量级。.3）有限时域差分模拟结果表明阵列结构具有均匀的热点分布，有助于提高SERS检测的重复性。.4）有限时域差分方法模拟金海胆超结构及金环结构等，给出了金刺长短与局域等离子体共振峰对应关系，金环内外径场矢量及电荷分布与共振模式的关系。.5）本项目相关成果发表SCI论文3篇（其中一篇发表在Nanoscale期刊上，目前引用5次），实用新型专利1项，还有1项发明专利实审状态。在两次国际会议上展示了本项目的相关研究成果，一次口头报告，一次墙报，产生了一定的学术影响。.该项目的研究结果揭示了二维受限生长阵列结构的生长规律，所获得间隙分布均匀的贵金属阵列结构提高了SERS检测的重复性和灵敏性，使人们更深入理解光与纳米结构之间的相互作用机理，提高在生物、化学、医学等领域的分子检测有效性。