增强拉曼检测信号的新方法:利用石墨烯原子层控制等离子体金属颗粒的距离

拉曼散射是一种光子与晶格之间的非弹性散射,激光与声子相互作用,致使散射光子能量增加或减少,通过检测这些光子能量的变化可得到声子模式信息。拉曼光谱学被普遍应用于半导体能带结构与掺杂,材料鉴定,化学分子探测,以及许多基础理论研究等。然而,自发性的拉曼散射是非常微弱的,在很多情况下,例如微量毒品检测,由于信号过小,导致测定困难。

就像固体中晶格的振动可以抽象地表示为声子的产生、传播与湮灭一样,金属中自由电子气在电磁波激发下的集体振荡也可用被称为等离子体激元的准粒子描述。具体地,人们发现纳米金属颗粒中的等离子体震荡可以大大增强局域电场,而这可以显著提高拉曼散射的信号强度。因此,利用金属纳米颗粒中的等离子体现象来对拉曼散射进行“表面增强”就成为一项很有希望的技术。

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然而,人们很难令这些纳米颗粒靠得足够近以获得最佳的表面拉曼增强效果。瑞典查尔摩斯理工大学(欧盟石墨烯旗舰Graphene Flagship唯一牵头单位)和北京工业大学(北京市光电子重点实验室所在地)的孙捷团队是国际上较早系统地从事两维材料CVD研究及其在半导体光电子学中应用的课题组。近期,他们利用国际最先进的Aixtron Black Magic设备制备石墨烯并用石墨烯作为天然的模板精确控制等离子金属颗粒的距离以进行拉曼散射的等离子体增强。石墨烯是单层原子碳膜,厚度只有3.3埃。实验中,先在衬底上真空蒸发一层几纳米厚的金膜,经500 oC左右退火后,自组织成一层纳米颗粒。然后,将化学气相沉积(CVD)的石墨烯转移到上面覆盖住这些颗粒,并蒸发另一层金薄膜。经250 oC退火,顶层纳米颗粒也形成了,制成三明治结构,其中上下两层金属颗粒间的距离被极度拉近。此处的插图是理论模拟结果,可以看到局域电场的确得到了大大提高。在实验中也得到了预期的结果,石墨烯的拉曼信号被增强了300多倍。不仅如此,这项技术还被试用到了有机分子的拉曼检测中,也取得了良好的效果。本工作巧妙地利用了石墨烯的超薄性,对提高拉曼光谱检测灵敏度、增强它在基础研究和实际应用中的技术可操作性做出了贡献。

下一步的改进方向可以从如下几方面入手,例如尝试使用绝缘体两维材料h-BN来拉近金属钠米颗粒之间的距离;改进纳米颗粒的制备方法使其更加尺寸均一和可控;进行更加详细和系统的有机分子检测研究等。

相关论文发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201600358)上,第一作者是詹兆尧博士,通讯作者是孙捷教授。

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