本文關鍵詞：縱向耦合金屬微納結構制備及其增強拉曼散射的研究

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【摘要】：金屬納米結構中表面等離激元共振可在金屬結構附近形成強的局域電磁場,高效地激發(fā)探針分子的拉曼光譜,同時,金屬納米結構可提供光學天線效應,能增強光與物質的相互作用,實現自由空間中傳播的光場與局域場之間的相互轉換,其在光場調控、增強熒光和拉曼、近場光學成像等方面有重要的應用。本文基于金屬微納結構中模式特性、耦合特性及其對電磁場及發(fā)光的調控作用,以銀三角片-間隔膜層-銀膜縱向耦合結構為基本結構,設計并制備了支持多種模式、結構易于實現的三類縱向耦合金屬微納結構,并發(fā)展此為SERS基底。從理論和實驗上研究了耦合金屬微納結構中模式特性及其對SERS信號的增強作用,討論分析了結構的關鍵參數與模式調控特性、拉曼信號的關系。本文的工作對于深入解析結構參數調控的模式特性,拓寬結構新應用,進一步理解SERS增強機理,發(fā)展、設計成本低廉、高靈敏度的新型SERS芯片等有重要的意義。具體研究成果如下:1.將膜層間的Gap表面等離激元(GPP)、金屬納結構邊角局域表面等離激元(LSP)和光學天線效應的調控、耦合轉化特性及可能的SERS應用引入結構設計中。利用化學合成方法制備了微米尺寸的銀三角片,其具有優(yōu)異平整的表面、尖角結構,可提供面、邊、角的各向異性空間特性以及微納尺度特征,可支持傳播表面等離激元(SPP)和LSP兩種基本模式。據此,構造了微米尺寸銀三角片-間隔膜層-銀膜縱向耦合結構,利用共焦光學顯微SERS光譜,研究了單銀三角片與銀膜的縱向耦合特性、及增強SERS的物理。發(fā)現銀三角片在可見光激發(fā)的情況下觀察不到增強拉曼散射現象,但是將銀三角片放置于銀膜上并保持納米尺寸的間隔時,在可見光范圍內能觀察到良好的增強拉曼現象,且拉曼信號的強度隨著間隔尺寸的增加按指數的規(guī)律減弱。實驗中還研究了從銀三角片不同位置激發(fā)對應的拉曼光譜特性,并與理論計算的結果進行對比,發(fā)現耦合結構中GPP與銀三角片邊角的LSP及光學天線效應的共同作用是產生增強拉曼散射的物理基礎。該類型縱向耦合結構是有效的SERS基底。2.基于以上研究,考慮滿足寬譜范圍內拉曼信號激發(fā)和輻射同時增強的要求,提出了大面積、尺寸統(tǒng)一的銀三角形陣列與銀基底(薄膜、光柵)的縱向耦合結構。以單層密排的聚苯乙烯(PS)微球為模板,結合膜層控制技術,成功制備了所設計的、多參數可控的、性能優(yōu)越的縱向耦合結構。理論和實驗上系統(tǒng)地研究了 SERS信號與耦合結構中銀膜的厚度、銀三角形的高度、間隔層的厚度、銀光柵周期及激發(fā)光功率等參數的關系,在最佳的結構參數下獲得了高達5.8 × 106拉曼增強因子和相對標準標準偏差小于4%優(yōu)秀的拉曼信號重復性。該耦合結構在可見光范圍內有寬的光譜吸收區(qū),滿足拉曼光譜的激發(fā)和輻射同時增強的要求,大大提高了 SERS強度,優(yōu)于當前實用型SERS基底要求。3.為實現性能優(yōu)越、信號穩(wěn)定、實用的SERS基底,在以上研究基礎上,進而提出了大面積準三維的銀膜覆蓋懸空銀三角形陣列的縱向耦合型SERS基底。融合化學模板技術、光刻技術和膜層控制技術,制備了所設計的大面積、準三維的縱向耦合結構,懸空的銀三角形與基底間隙可通過蒸鍍銀膜厚度來精確地調控。從理論和實驗兩個方面具體研究了 SERS信號的強度隨蒸鍍銀膜厚度增加的關系,發(fā)現當蒸鍍銀膜厚度達到光刻膠柱高度時SERS信號最強,此時耦合結構在10-7M濃度下也可觀測到明顯的拉曼信號。該SERS基底中間的間隔層為空氣層,實際應用時可根據研究目的不同臨時加入拉曼探針分子,提高了 SERS基底應用的靈活性。論文的創(chuàng)新點:1.基于膜層間的GPP、金屬納結構邊角LSP和光學天線效應的調控、耦合轉化特性,構造了微米尺寸的銀三角片與銀膜的縱向耦合結構。解析了該耦合結構模式特性。在可見光范圍內觀察到良好的增強拉曼現象,證實該縱向耦合結構是有效的SERS基底,突破傳統(tǒng)SERS基底對納米結構尺寸的限制,拓展了 SERS激發(fā)波長的選擇自由度。2.基于滿足寬譜范圍內拉曼信號激發(fā)和輻射同時增強的要求,以單層密排的PS球為模板,結合膜層控制技術,成功制備了大面積、尺寸統(tǒng)一的銀三角形陣列與銀基底(薄膜、光柵)的縱向耦合結構。在最佳的結構參數下獲得了高達5.8 × 106拉曼增強因子和相對標準標準偏差小于4%優(yōu)秀的拉曼信號重復性,為開發(fā)成本低廉、高靈敏度的新型SERS芯片提供了參考。3.以單層密排的PS球為模板,融合光刻技術和膜層控制技術,成功制備了大面積、實用的準三維銀膜覆蓋懸空銀三角形陣列縱向耦合型結構。得益于懸空銀三角形與銀基底形成的高密度熱點,該縱向耦合結構有優(yōu)于10-7M的拉曼探測能力,同時該耦合微納結構的介質間隔層為空氣層,便于根據研究目的加入拉曼探針分子,提高了 SERS基底的實用性。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O657.37

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本文編號：1260853