金属薄膜与金属纳米微粒耦合系统中单层石墨烯作为纳米间隙层实现高强度表面增强拉曼散射

拉曼散射光谱可以反应分子的结构信息,分子结构的任何微小变化都会非常敏感地反映在拉曼散射光谱中,所以拉曼光谱可用来对物质进行结构分析,而表面增强拉曼散射(SERS)使人们可以更轻易地观察和利用拉曼散射光谱。正是由于表面增强拉曼散射(SERS)的发现,拉曼散射光谱的应用才得到了前所未有的发展。研究表明,表面增强拉曼散射(SERS)是电磁机理(EM)和化学机理(CM)结合产生的。近年来,纳米膜(NFG)系统因为其强大的局域增强而被广泛研究。然而,由于技术所限,如何建立简单有效的方法去准确而可靠的控制具有高度结构完整性的纳米间隙层来实现纳米膜系统的进一步发展仍然是一大难题。另外,由于纳米膜系统与目标分子的弱亲和力,传统纳米膜系统中的纳米间隙层与目标分子间有效的相互作用无法达到,因此进一步增强表面增强拉曼散射相当受限的。

石墨烯由于其卓越的光电特性而获得广泛关注,其与等离子纳米结构体的结合使它成为研究光响应最好的试验平台。另外,其吸收和聚集目标分子的能力使得它在等离子传感应用领域获得广泛关注。香港大学电机电子工程系蔡植豪教授及其课题组通过在纳米银颗粒和银薄膜之间引入薄单层石墨烯作为纳米间隙层发明了一种新型的纳米膜系统(G-NFG system),其中银颗粒直径为20nm,颗粒间距5nm。该系统在所有金属石墨烯等离子混合系统中具有最高的近场增强之一,增强率约为1700。超强的纳米间隙层的电磁机理增强与额外的石墨烯纳米间隔层化学机理增强为吸附分子在石墨烯表面实现拉曼散射增强提供了很好的条件。实验表明,实现超高增强率是多重等离子耦合的结果,包括纳米银颗粒与银薄膜耦合,纳米银颗粒与纳米银颗粒耦合。通过采用三种不同波长的激光源(514nm,488nm,633nm)进行测试和研究,G-NFG SERS衬底与514nm激光源发生等离子共振实现了高强度的拉曼增强。另外,通过采用5nm、20nm、200nm的银颗粒间距进行测试和研究,结果表明颗粒间距越小,表面增强拉曼散射信号越强。

通过对R6G的探测,该课题组得出G-NFG系统可以用于实现高灵敏度的π共轭分子探测的结论。并且表示这种简单可靠的方法是实现单分子级别定量等离子感应的里程碑。该系统在分析科学及相关领域具有重要应用。

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