基于各项异性二维原子晶体材料的表面增强拉曼散射机理研究

Due to their unique crystalline structures and superior physical/chemical properties, two-dimensional (2D) atomic crystal materials have attracted extensive research interest of scientists. Raman spectroscopy has been widely used to study the component and structure of 2D materials. On the other hand, 2D materials have also shown special Raman scattering characteristics. In particular, anisotropic 2D materials have shown extraordinary angle-dependent polarized Raman scattering. What is more, 2D materials are ideal candidates for studying surface-enhanced Raman scattering (SERS). The unique crystalline structure and the anisotropy of 2D materials will provide new insights into the mechanism of SERS. So far, there have been reports in literature on this subject, but only focused in graphene, wherein the mechanism of enhancement is still under debate. SERS based on anisotropic 2D materials has even not been reported. This research proposal will investigate the chemical enhancement using 2D materials as SERS-active substrates, and will study the electromagnetic/chemical enhancement using 2D materials as Raman-active probes. The exploration of the mechanisms of enhancement in 2D material systems will provide totally new insights into the fundamentals of SERS, and will greatly expand the SERS applicable systems.

二维原子晶体材料由于其特殊的结构和优良的物理/化学性质，受到科学家的广泛关注。拉曼散射光谱是研究二维原子晶体材料成分/结构的有力工具，而材料的拉曼光谱也具有一些独特的性质，例如各向异性二维原子晶体材料具有显著的角度依赖偏振拉曼散射特性。更有意义的是，二维原子晶体材料是研究表面增强拉曼散射（SERS）的理想体系，其特殊的晶体结构以及各向异性特性将为研究SERS机理提供一个全新的视角。目前此方向的研究已经有所开展，但主要集中于石墨烯，且增强机理还存在一定的争议；基于材料各向异性特性研究SERS机理的研究更未见报道。本申请拟研究以各向异性二维原子晶体材料为增强基底的化学增强，以及以材料为拉曼探针分子的电磁增强/化学增强，探讨这类特殊体系中SERS增强的机制，这将从一个全新的角度进一步完善SERS增强机理，并对拓宽SERS的应用体系具有重要意义。

本项目研究各向异性二维材料的拉曼散射增强效应，利用低对称性二维材料，包括正交晶系的少层黑磷、三斜晶系的少层二硫化铼，研究材料与分子之间的电荷相互作用，从而进一步理解各向异性二维材料拉曼散射增强的化学增强机理。在项目执行期间，顺利完成了各年度计划，提出了基于单层二维材料的双表面增强拉曼散射模型，验证了氮化硼拉曼增强的偶极相互作用机制；发展了各向异性二维材料的晶格取向快速判断方法，建立了各向异性二维材料异常拉曼散射选择定则的光学双折射模型；发现了低对称性二维材料的各向异性拉曼散射增强效应，提出了晶格依赖的电荷转移模型；发展了基于石墨烯拉曼增强的定量检测技术，提出了双组份体系的定量检测模型。. 在本项目的支持下，共发表论文19篇，包括1篇J. Am. Chem. Soc.，1篇Nano Lett.，1篇ACS Nano，2篇Adv. Mater.，1篇Small以及4篇Nano Research；受邀撰写综述两篇，包括1篇Chem. Soc. Rev.和1篇Small Methods；申请专利1项。项目负责人以第三完成人获2017年国家自然科学二等奖；参加国际国内学术会议23次，做邀请报告12次；培养博士研究生4名，本科毕业生2名，出站博士后3名；圆满完成了项目的预期指标。.