基于磁控溅射技术的表面增强拉曼散射(SERS)基底制备及其特性研究

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拉曼光谱是直接联系于分子结构的振动谱,可对物质进行指纹性认证。物质结构的任何微小变化会非常敏感反映在拉曼光谱中,因而被广泛的应用于物质鉴定、分子结构、质量控制、文物考古、宝石鉴定等物理、化学、生命科学和法庭科学等领域。但是拉曼信号的获得并不容易,直到有了SERS的影响使得散射截面得到相当可观的增强(10~6倍),从而在灵敏度上有了很大的提高,使得拉曼信号作为光子探针成为可能。通常获取SERS的方法主要是几种贵金属:金、银、铜胶体和粗糙表面。对于胶体又有通过氧化还原等化学方法制备的胶体,也有通过激光烧蚀等物理方法获得的胶体。对于通过化学方法制备的胶体,制备简单很容易获得大量的胶体,但是其成分十分复杂含有很多杂质。对我们的使用和分析带了很多的不便。而对于通过激光烧蚀的方法制备的胶体虽然很纯净,但是产率较低成本较高。粗糙表面的方法也有化学腐蚀、物理研磨等方法。但是也存在很多缺点,比如杂质的残留、粗糙程度不好控制等。所以我们希望找到一种方便制备、容易控制、成份纯净、应用广泛的新型SERS基底。我们选择了磁控溅射制备薄膜的方法。磁控溅射技术是70年代发展起来的一种新型溅射技术,目前已在科研和生产中实际应用。磁控溅射镀膜主要用于电子工业、磁性材料及记录介质、光学及光导通讯等,具有高速、低温、低损伤等优点。高速是指沉积速率快;低温和低损伤是指基片的温升低,损伤小。基于磁控溅射高速的优点我们可以方便的大量制备;而低温、低损等方面的优点对于制备SERS基底至关重要,因为只有这样才可以很好地保持薄膜的粗糙度否则很容易只得到一块“平面”。而且该技术还有一个很重要优势:适用各种金属、合金、半导体等材料。同时我们只要通过控制溅射的气压、电流、时间、退火工艺等溅射条件我们就可以得到颗粒度从几纳米到几百纳米的SERS活性表面。而且在相同条件下具有较好的重复性和稳定性。最后由于我们是采用超高真空环境制备,制备出来的基底具备较高的纯净度。本文中我们首先通过对制备过程中的制备条件进行研究,从而希望获得我们所希望的SERS基底。对于制备的各种基底我们通过AFM等手段研究了基底的性质和SERS之间的关系。同时我们还选取了了几种具有代表意义的材料通过磁控溅射的方法获得了平时很难得到的过渡金属铁、钛的SERS信号。及较活泼的金属铝的SERS。我们制备的半导体硅的薄膜SERS基底同样获得了很少报道过的SERS信号。同时通过对探针分子的拉曼光谱以及不同形貌、不同材料薄膜对SERS的影响的研究,并结合密度泛涵理论计算研究了制得基底上的分子吸附行为。本文分为两大部分:一部分是综述部分,是研究生阶段通过学习和查阅文献对本文中涉及的研究方向的体会和总结;另一部分是研究部分,是研究生期间所完成的一系列研究工作。
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