基于激光液相辐照技术在二维h-BN上负载生长Au@Ag纳米颗粒及其SERS特性研究

Based on the irradiation of Au, Ag nanomaterials, the surface-enhanced Raman scattering (SERS) spectroscopy can provide ultrasensitive dynamic information of single molecule, which has received increasing attention in the physics/materials/biology/medical sciences. So, the development of new methods for conveniently synthesizing SERS-active nanocomposites is very important. In this project, the novel nanocomposites based on overgrowth of bimetallic Au@Ag nanoparticles on hexagonal boron nitride (h-BN) surfaces will be synthesized by laser irradiation-induced photochemical approach. The moderate overgrowth process allows one to control the Au@Ag nanostructures and manipulate the corresponding composition. Superior to traditional approaches, the Au@Ag nanoparticles with controllable compositions can be adjusted by simply changing the laser parameters and metallic ions contents. Then, based on the as-prepared h-BN/Au@Ag nanocomposites with controllable metallic compositions, the excellent SERS performances will be illustrated in this project. It is our intension to optimize the bimetallic Au@Ag structures that can provide maximized SERS activity. The simulated near-field electromagnetic field distribution of the h-BN/Au@Ag nanocomposties and the pronounced inter-metallic synergies can predict the theoretical hotspots for amplifying SERS signals. The expected results in this project have significant implications for ultrasensitive biological and biomedical SERS analyses, which will also stimulate the further investigation for sculpting other novel 2D/metallic nanocomposites in various applications.

基于Au、Ag纳米材料的表面增强拉曼散射(SERS)光谱能够获得单分子的结构演化与功能转化等丰富的动态信息，在物理/材料/生命/医学等领域备受关注。有效调控制备出具有优异SERS特性的复合纳米构型是目前的关键问题。本申请项目选取六方氮化硼(h-BN)二维材料，利用激光液相辐照技术在Au、Ag离子溶液中可控合成h-BN/Au@Ag纳米复合材料。改变辐照参数和金属离子浓度有效控制Au、Ag负载生长，进而调控Au/Ag相对含量。利用h-BN的比表面积大、双金属的协同效应等特点，通过Au/Ag组份调控，研究SERS光谱的演化规律，探索能够显著提高SERS性能的最佳h-BN/Au@Ag复合构型；结合光激发的理论分析，探索优异SERS性能与纳米构型之间的隐含关联及其产生的内在物理机制。预期成果为后续促进SERS应用研究奠定基础，而且为调控制备其他二维/金属复合材料提供依据，进而扩展众多领域的交叉研究。

等离激元金属纳米材料（Au、Ag等）受入射光激发具有独特的表面增强拉曼散射（SERS）特性，可以使其表面附着的探针分子拉曼光谱信号得到极大地提高，能够获得微量分子的结构演化与功能转化等丰富的动态信息，这种超灵敏的分子探测诊断在材料科学、化学工程、环境监测、生物医药、临床医学等重要领域中备受关注。本项目研究选取了六方氮化硼（h-BN）二维材料，利用激光液相辐照策略在其表面负载生长出单分散的双金属Au@Ag纳米颗粒，通过重点调节入射激光参数和反应溶液中金属离子浓度等条件有效控制Au、Ag的成核结晶生长，实现了h-BN/Au@Ag纳米复合材料的可控合成。在此基础上，我们还分析了光激发半导体产生的载流子（电子-空穴对结构）复合与分离机制，光激发局域表面等离激元共振诱导产生热电子的还原反应机制等相关理论，理论与实验相结合阐述了h-BN/Au@Ag纳米复合材料的可控合成主要机理。基于h-BN/Au@Ag的调控制备研究，我们系统分析了不同微观结构的SERS性能（拉曼特征谱线强度的增强性能和空间分布均匀性以及长时间拉曼探测的稳定性等）递变规律，重点研究了双金属组分相对含量和金属纳米颗粒间距等微观结构与优化SERS性能之间的内在关联，最终探索出最佳的纳米复合构型能够显著提高SERS性能。我们将实验结果与光激发等离激元金属的电磁场增强（EM）物理机理以及纳米基底材料与探针分子之间电荷转移诱导的化学增强（CE）机理等理论相结合，探究了h-BN/Au@Ag纳米复合构型的优异SERS性能产生的主要机制。依据本项目研究方案，我们进一步开展了一系列有意义的扩展探索，利用激光液相辐照策略调控制备出更为新颖的多形态等离激元金属复合构型并且针对多种类型的微量探针分子实现了高灵敏SERS分析探测。本项目所取得的研究成果可以为后续深入开展激光诱导合成多功能的新型微观器件及其众多的前沿交叉应用研究提供前期基础。