单晶硅表面金属微纳结构的制备及其表面增强拉曼散射特性研究

作     者：顾慈勇 

作者单位：云南师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：满石清

授予年度：2019年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070302[理学-分析化学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 0702[理学-物理学] 

主      题：单晶硅 表面增强拉曼散射 金纳米粒子 SiO2@Au核壳纳米粒子 

摘      要：表面增强拉曼散射(Surface-Enhanced Raman Scattering,简称SERS)是一种高灵敏度检测技术,可提供丰富的振动指纹识别信息,在分析化学,环境检测及食品安全等领域受到广泛的应用。SERS基底表面微结构的形貌特征,直接影响到拉曼谱线的质量,因此寻求一种合适的方法,制备出优异的基底是必要的。目前,按照SERS基底的形态大致可分为液态金属溶胶基底和固态基底。液态金属溶胶制备过程简单,增强效果好,但是容易聚集,稳定性难以得到保障、不利于长期保存。固态基底,克服了金属溶胶粒子聚集和信号不稳定等因素,并且可以长时间保存。固态基底的制备方法是通过物理或化学方法将活性金属纳米粒子转移到固体基底上或者在固体基底上直接制备出金属纳米粒子。单晶硅半导体材料具有独特的光学性质和电学性质,在太阳能电池、生物传感、纳米材料等领域有广泛的应用前景,是一种优异光电材料。本论文以单晶硅为固态基底通过物理和化学方法制备出了两种增强特性不同的SERS基底。具体研究内容如下:(1)采用化学腐蚀方法,对单晶硅面进行各向异性腐蚀制备出金字塔微结构形貌。在90℃的条件下分析了改变磷酸钾浓度、硅酸钾浓度、反应时间对形成金字塔形貌的影响。结合扫描电镜图(SEM)、紫外-可见分光光度计(UV-Vis-NiR)对样品表面形貌、反射率进行了表征。结果表明,磷酸钾浓度15wt%、硅酸钾浓度3wt%、反应时间36min在单晶硅表面制备出规则度好、覆盖率高99.9%、平均尺寸1.89μm、最大尺寸2.94μm、反射率低的金字塔微结构形貌。(2)以最佳腐蚀条件制备出金字塔微结构为基底,通过物理方法在金字塔表面溅射一定厚度的金纳米粒子。以亚甲基蓝(MB)作为探针分子检测基底的拉曼增强活性,分析了不同溅射时间3min对基底拉曼增强活性的影响。结果表明,溅射时间为5min时基底具有最优拉曼增强活性。检测出MB浓度为1×10mol/L的SERS光谱相比常规拉曼光谱增强效果明显,在相同的条件下检测出了浓度为1×10mol/L三聚氰胺溶液,相比常规拉曼光谱所有的拉曼特征峰都能被观察到。此基底具有良好的拉曼增强效果,在低浓度检测和食品安全等方面的检测具有潜在的应用价值。(3)提出了一种新的方法,结合纳米粒子表面修饰技术、旋涂和原位还原方法,在光滑的单晶硅表面制备出二氧化硅为核金纳米粒子为壳层(SiO@Au)的单层复合纳米粒子基底。样品的表面形貌,光学性质和结晶度通过SEM,TEM,紫外-可见分光光度计,XRD和EDX进行了表征。选择不同浓度的结晶紫(CV)作为探针分子,研究了基底的拉曼增强活性,CV的最低检测浓度限为1×10mol/L。单层SiO@Au复合纳米粒子基底具有优异的活性,保存三周后基底的光谱保持不变。计算了基底的拉曼增强因子高达1.4×10倍,在特征峰1178cm处的相对标准偏差为14.07%。在这里制备单层核壳纳米粒子结构的方法是可行的,它易于运输、储存和廉价在物质检测方面是一种具有潜在发展前景的SERS基底。