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深圳先進院在半導體表面增強拉曼散射基底研究方面取得進展

文章來源:深圳先進技術研究院   發布時間:2019-08-13  【字號:     】  

  8月7日,中國科學院深圳先進技術研究院材料所光子信息与能源材料研究中心杨春雷团队在半导体SERS基底研究方面取得新进展,相关成果以Tunable 3D light trapping architectures based on self-assembled SnSe2 nanoplate arrays for ultrasensitive SERS detection(《基于自組裝二硒化錫納米片陣列的可調陷光結構應用于超靈敏SERS檢測》)爲題發表在光電磁功能材料期刊Journal of Materials Chemistry C(2019,DOI: 10.1039/C9TC03715B)上。该文章同时被选为2019 Journal of Materials Chemistry C HOT Papers。硕士生李威威和熊磊为論文共同第一作者,通讯作者为副研究员李光元、陈明及研究员杨春雷。

  表面增強拉曼散射(SERS)以其超高的靈敏度和無損檢測的特點,已經在物理、化學、生物學、醫學等領域展現了巨大的應用潛力。目前,傳統的SERS基底仍然是金、銀、銅等貴重金屬材料,然而制作成本高、過程複雜,而且重複性和生物相容性差。

  爲了克服這些局限性,基于半導體材料的SERS活性基底以其低成本、良好的生物相容性和高穩定性而受到越來越多的關注。然而,與貴金屬SERS基底相比,半導體材料SERS基底的增強因子(源于電荷轉移機制)相對較弱,不足以用于分子檢測,從而阻礙了其實際應用。

  采用具有光捕获结构的半导体材料作为SERS 活性基底已引起越来越多的关注,其中光的多次反射和散射可以提高增强因子。然而,这些半导体SERS活性基底的制备通常需要复杂的工艺,并且这些方法通常导致不均匀和分离的颗粒/薄片,这难以满足实际应用中高性能和可靠性的需求。在这里,研究团队证明通过自组装生长的SnSe2纳米片阵列(NPAs)可以作为均匀、高性能和可靠的SERS基底。SnSe2 NPAs形成的微腔阵列可以有效地捕获光(最高可达96%),从而改善增强因子。得益于电荷转移过程和增强的光捕获能力的协同效应,基于SnSe2 NPAs的SERS基底展示出超低检测极限(1×10-12 M)、高增强因子(1.33×106)和极好的均匀性(相对标准偏差降至7.7%),达到甚至超过传统金属SERS基底的性能,是目前报道的具有最高灵敏度之一的半导体SERS基底。此外,文章还系统地研究了不同SnSe2纳米片形成的空间结构(平面与腔体)、SnSe2 NPAs的高度和倾斜角度对SERS性能的影响,研究发现其SERS性能强烈依赖于光捕获能力和吸收损耗。相关研究结果不仅提供了获得可调谐、均匀和高性能SERS基底的有效策略,而且对于设计3D光捕获架构具有重要的指导意义。

  該研究得到國家自然科學基金委和深圳市基礎研究布局項目等的資助支持。

  論文链接

 

图1 基于自组装SnSe2纳米片阵列的可调谐陷光结构,光捕获能力最高可达96%。

 

  图2 基于自组装SnSe2 纳米片阵列的SERS基底具有超低的检测极限(1×10-12 M),高增强因子(1.33×106)和极好的均匀性(相对标准偏差降至7.7%)。




(責任編輯:葉瑞優)

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