基于热电材料GaN的SERS调控及机理研究.pdf

目录

摘要I

AbstractIII

第一章绪论1

1.1表面增强拉曼散射简介1

1.1.1拉曼散射简介及原理1

1.1.2表面增强拉曼散射增强机理3

1.2SERS基底构筑及性能调控7

1.2.1金属SERS基底构筑及调控7

1.2.2非金属SERS基底构筑及调控9

1.3电调控SERS研究进展11

1.4论文的选题依据及内容概要14

第二章热电场调控AgNPs/GaN基SERS化学增强特性研究17

2.1研究背景17

2.2实验方法18

2.3结果与讨论19

2.3.1基底的制备与表征19

2.3.2热电场调控SERS性能21

2.3.3热电场监测和操纵等离激元光催化24

2.3.4催化和SERS增强机制25

2.3.5半导体掺杂类型对E-SERS的影响28

2.3.6热电E-SERS在生物分子检测领域的应用29

2.4本章小结29

第三章热电场可逆调控AgNPs/石墨烯/Ag/GaN基SERS双增强机制研究31

3.1研究背景31

3.2实验方法32

3.3结果与讨论33

3.3.1基底的制备与表征33

3.3.2热电场双机制调控SERS信号36

3.3.3热电场调节机制分析43

3.3.4E-SERS检测SARS-CoV-2S和抗生素45

3.4本章小结46

第四章总结47

4.1主要结论47

4.2主要创新点48

参考文献49

攻读硕士期间发表的论文61

攻读研究生期间获得的荣誉奖励63

致谢65

基于热电材料GaN的SERS调控及机理研究

摘要

表面增强拉曼散射(SERS)能够提供丰富的分子结构信息，在单分子水平实现超灵

敏、实时、原位检测，已被广泛应用于化学分析、生物传感、环境监测等领域。从原

理上讲，增强机制可分为由局域表面等离激元共振引起的电磁增强机制(EM)和分子与

基底之间的电荷转移引起的化学增强机制(CM)。通过结合电磁增强和化学增强能够构

筑高性能的SERS基底，进一步推进SERS技术在现实场景的应用。然而，通常在基底

制备完成后其光学性质固定不变，这不利于对多种类分子的超灵敏及普适性检测。因

此，如何通过操纵EM/CM调控SERS性能并拓宽SERS在多类型分子检测中的应用仍

然是一个挑战。

本文从SERS增强机制出发，利用高性能热电半导体材料氮化镓(GaN)与银纳米颗

粒或银纳米腔结构复合构筑了高灵敏度SERS基底。通过对基底施加温度梯度诱导热电

场对银纳米颗粒和石墨烯的载流子密度进行调节，从而实现EM/CM的灵活有效调控，

进一步增益SERS基底检测性能。具体方案如下：

(1)热电场调控AgNPs/GaN基SERS化学增强特性研究。针对目前SERS调控手段

过于复杂，重复性差的问题，我们提出了热电场调控化学增强的策略。在硅片上外延

生长GaN薄膜，并与银纳米颗粒(AgNPs)复合，构筑电调控SERS(E-SERS)基底，与无

电场诱导的基底相比，其E-SERS信号强度进一步提高了一个数量级。热电场可调节

GaN和AgNPs之间的电荷转移效率，进而可在大范围内调节AgNPs的费米能级，增

加基底与待测分子间的共振电子跃迁概率。基于热电场增益的CM，E-SERS基底实现

了对具有小拉曼散射截面分子的超灵敏检测。另外，该E-SERS基底还可用于监测和操

纵等离激元诱导的氧化还原反应。该工作加深了对SERS化学增强和等离激元激活光催

化机制的理解。