基于热电材料GaN的SERS调控及机理研究

作     者：谭吉兵 

作者单位：山东师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张超;李振

授予年度：2024年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 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] 

主      题：表面增强拉曼散射 氮化镓 热电效应 能级调控 纳米腔结构 

摘      要：表面增强拉曼散射(SERS)能够提供丰富的分子结构信息,在单分子水平实现超灵敏、实时、原位检测,已被广泛应用于化学分析、生物传感、环境监测等领域。从原理上讲,增强机制可分为由局域表面等离激元共振引起的电磁增强机制(EM)和分子与基底之间的电荷转移引起的化学增强机制(CM)。通过结合电磁增强和化学增强能够构筑高性能的SERS基底,进一步推进SERS技术在现实场景的应用。然而,通常在基底制备完成后其光学性质固定不变,这不利于对多种类分子的超灵敏及普适性检测。因此,如何通过操纵EM/CM调控SERS性能并拓宽SERS在多类型分子检测中的应用仍然是一个挑战。 本文从SERS增强机制出发,利用高性能热电半导体材料氮化镓(GaN)与银纳米颗粒或银纳米腔结构复合构筑了高灵敏度SERS基底。通过对基底施加温度梯度诱导热电场对银纳米颗粒和石墨烯的载流子密度进行调节,从而实现EM/CM的灵活有效调控,进一步增益SERS基底检测性能。具体方案如下: (1)热电场调控AgNPs/GaN基SERS化学增强特性研究。针对目前SERS调控手段过于复杂,重复性差的问题,我们提出了热电场调控化学增强的策略。在硅片上外延生长GaN薄膜,并与银纳米颗粒(AgNPs)复合,构筑电调控SERS(E-SERS)基底,与无电场诱导的基底相比,其E-SERS信号强度进一步提高了一个数量级。热电场可调节GaN和AgNPs之间的电荷转移效率,进而可在大范围内调节AgNPs的费米能级,增加基底与待测分子间的共振电子跃迁概率。基于热电场增益的CM,E-SERS基底实现了对具有小拉曼散射截面分子的超灵敏检测。另外,该E-SERS基底还可用于监测和操纵等离激元诱导的氧化还原反应。该工作加深了对SERS化学增强和等离激元激活光催化机制的理解。 (2)热电场可逆调控AgNPs/石墨烯/Ag/GaN基SERS双增强机制研究。针对E-SERS技术调控机制单一,灵活度差的问题,我们提出了同步调节EM/CM策略。基于热电半导体P型GaN薄膜,利用石墨烯为间隔层构筑银纳米腔结构SERS基底。激发热电场后,SERS信号的强度可进一步增强13倍。理论和实验结果证明热电场可有效调节石墨烯的载流子密度,对石墨烯快速、可重复性的掺杂,可在大范围内调节其费米能级,进而实现对CM机制的有效调控。另外,热电场还能调节银纳米结构的自由电子密度,实现对等离激元共振峰位置的调控,进一步增益电磁机制。同时研究了石墨烯层数对热电场调控性能的影响,发现随着石墨烯层数的增加,热电场调控能力逐渐减弱。最后,基于该基底实现了对严重急性呼吸综合症-冠状病毒刺突糖蛋白(SARS-COV-2S)以及抗生素的微量检测。该工作可有效推动SERS技术在多生物分子检测中的应用进程。 本文由四部分组成:第一章绪论介绍了拉曼散射及表面增强拉曼散射机理,SERS基底构筑及SERS性能调节,电调控SERS研究进展。第二章制备了AgNPs/GaN基底,实现了热电场辅助SERS化学增强和光催化作用,探究了其增强机理。第三章以石墨烯为间隔层的银纳米腔结构与GaN耦合构筑了SERS基底,实现了对石墨烯费米能级和银纳米腔等离激元共振峰的有效调控,推进了SERS在实际检测的应用。第四章是对以上工作的总结。