半导体及掺杂型半导体的制备及其SERS性能研究

发布时间：2020-09-15 09:07

　　 表面增强拉曼光谱(Surface-enhanced Raman Scattering,SERS)一直是一种非常重要的分析工具。但是由于活性增强基底的匮乏导致SERS应用受到了限制。因此研究半导体材料作为SERS活性基底不仅解决了SERS活性基底匮乏的问题,也能促进对SERS增强机制的研究。本文通过溶胶凝胶法制备了二氧化锆(ZrO_2)及不同金属离子掺杂的ZrO_2纳米粒子作为SERS的活性基底,并对其增强机制进行了研究,得到了一些创新性结果,主要研究结果如下:1.溶胶凝胶法制备ZrO_2纳米粒子及其SERS应用研究本文报道了采用溶胶凝胶法制备尺寸不同的ZrO_2纳米粒子作为SERS活性基底。通过X射线衍射仪(XRD),透射电子显微镜(TEM),紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS),紫外光电子能谱(UPS),拉曼光谱(Raman)对所合成的不同尺寸的ZrO_2纳米粒子进行了表征,结果表明:通过XRD和TEM发现制备的不同焙烧温度的ZrO_2纳米粒子的粒径尺寸分别为8.1,10.5,11.1,15.5和17.6 nm,并且研究了纳米粒子尺寸对SERS增强的影响,通过对不同探针分子(4-巯基苯甲酸(4-MBA),四巯基吡啶(4-MPY),对巯基苯酚(PATP))吸附在ZrO_2半导体活性基底上的SERS,本文通过实验测试结果与高斯模拟对比确定了电荷转移方向。本文发现当4-MBA吸附在焙烧温度为500℃纳米粒子尺寸为10.5 nm的ZrO_2半导体活性基底上时有最好的SERS信号。2.Zn离子掺杂的ZrO_2纳米粒子的制备及其SERS应用研究为了进一步探讨ZrO_2纳米粒子作为SERS活性基底的增强效应,本文合成的Zn离子掺杂的ZrO_2纳米粒子,作为SERS活性基底进行研究,研究不同掺杂量的Zn离子对ZrO_2活性基底的影响。发现适量的掺杂浓度能促进SERS信号增强。当Zn离子掺杂量为1%时有最好的SERS增强效果。这是由于Zn离子的掺杂影响了ZrO_2的表面缺陷浓度,进而影响SERS信号。3.Fe离子掺杂的ZrO_2纳米粒子的制备及其SERS应用研究为了进一步探讨ZrO_2纳米粒子作为SERS活性基底的增强效应,本文合成的Fe离子掺杂的ZrO_2纳米粒子,作为SERS活性基底进行研究,为了研究不同掺杂量的Fe离子对ZrO_2活性基底的影响。本文发现适量的掺杂浓度能促进SERS信号增强。当Fe离子掺杂量为1%时有最好的SERS增强效果。这是由于Fe离子的掺杂影响了ZrO_2的表面缺陷浓度,进而影响SERS信号。
【学位单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN304;O657.37
【部分图文】：

图 1.1 传统 SERS 活性基底自从 1974 年发现了 SERS，至今已经有超过 15000 篇关于 SERS 的文献，并且年来越来越多关于 SERS 的报道，目前有大量的文章报道 SERS 现象，SERS 的增机制为电磁场增强机制 EM(electromagnetic mechanisms)和化学增强机制 C（chemical mechanisms）。下面介绍这两种增强机制。1.2.1 电磁场增强效应电磁场增强机制认为探针分子吸附在具有一定粗糙度的金属基底上，在基底表磁场的影响下导致 Raman 散射增强。现在电磁场增强模型中最受大家广泛接受的表面等离子体共振[16](Surface Plasma Resonance)。根据理论电磁场增强的强度与活基底的大小，形状以及表面状态有关。但是表面等离子体共振的区域只有纳米粒子面几百微米以内并且增强能力随着距离的增加呈指数衰减。除了表面等离子体共振外还有一种增强模型也被研究者认为是电磁增强的因素：避雷针效应(Lighting rod effect)：制备有一定粗糙度的金属基底时，会产生很

性基底费米能级上的电子在入射光的激发下跃迁至探针分子的属活性基底费米能级上的空穴与激发状态的电子发生结合。导体作为活性基底时，由于半导体的能级由价带与导带构成。并表面缺陷，由于表面缺陷的存在并束缚电子形成表面能级态，半底的情况类似与金属作为 SERS 活性基底，所以电荷转移一般针分子的最高占有轨道至半导体的导带，探针分子最高占有轨激发下跃迁至半导体活性基底的导带上，探针分子最高占有轨道状态的电子发生结合。导体活性基底的价带至探针分子的最低未占有轨道。半导体价激发下跃迁至探针分子的最低未占有轨道，半导体活性基底的价态的电子发生结合。导体价带上的电子在入射光的激发下通过半导体表面能级态跃未占据轨道，半导体活性基底的价带上的空穴与激发状态的电

第 1 章 绪 论1.2.3 SERS 活性基底SERS 技术的迅速发展离不开 SERS 活性基底的研究。传统的 SERS 活性基底是结构通常为纳米颗粒或有一定粗糙度的金属表面，通过激光光源与金属粒子(Ag、Au、Cu)后相互作用而激发的。自从研究者得到了吡啶分子吸附在半导体上的 SERS 图谱后，自此各种半导体材料成为 SERS 活性基底的新宠[23-25]。如图 1.3[26]，近些年半导体作为 SERS 活性基底。

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 Shengkai Li;Jiamei Xu;Shen Wang;Xin Xia;Long Chen;Zhuo Chen;;Versatile metal graphitic nanocapsules for SERS bioanalysis[J];Chinese Chemical Letters;2019年09期

2 顾海昕;张永丰;;SERS技术在火灾物证鉴定中的应用与展望[J];消防科学与技术;2018年11期

3 吴虹标;;氧化作用对于贵金属SERS性能的影响研究[J];科学技术创新;2019年11期

4 Dan Song;Rong Yang;Feng Long;Anna Zhu;;Applications of magnetic nanoparticles in surface-enhanced Raman scattering(SERS)detection of environmental pollutants[J];Journal of Environmental Sciences;2019年06期

5 Mingwang Li;Yuanyuan Qiu;Chenchen Fan;Kai Cui;Yongming Zhang;Zeyu Xiao;;Design of SERS nanoprobes for Raman imaging:materials, critical factors and architectures[J];Acta Pharmaceutica Sinica B;2018年03期

6 陈华祥;尤汀汀;徐更;高宇坤;张晨萌;杨楠;殷鹏刚;;湿度响应纳米复合材料的组装及其SERS传感器应用（英文）[J];Science China Materials;2018年09期

7 孟娟;杨良保;张莉;唐祥虎;;基于SERS技术快速实现现场毒品检测[J];光散射学报;2016年04期

8 赵苗苗;刘文耀;杜建功;郭旭东;王磊;夏美晶;唐军;;Multidimensional Co_3O_4 nano sponge for the highly sensitive SERS applications[J];Optoelectronics Letters;2017年01期

9 宋薇;刘卓;齐宝玲;郭月;王丽丽;王海;何成彦;赵冰;;半导体纳米粒子SERS基底对大肠杆菌的无损检测研究[J];光谱学与光谱分析;2017年05期

10 赵进辉;李耀;袁海超;刘木华;;鸭肉中环丙沙星残留的表面增强拉曼光谱测定[J];分析测试学报;2017年05期

相关会议论文 前10条

1 顾海昕;薛林;张永丰;;纳米金复合微球SERS基底的制备及其在火灾物证鉴定中的应用研究[A];2016中国消防协会科学技术年会论文集[C];2016年

2 刘凡新;詹鹏;吴蔚;王振林;;Gap Plasmons Spilling-out for Single-Molecule SERS[A];第十九届全国光散射学术会议摘要集[C];2017年

3 Shuai Yue;Xiao-Ting Sun;Ning Wang;Ya-Ning Wang;Yue Wang;Ming-Li Chen;Jian-hua Wang;Zhang-Run Xu;;A SERS-Fluorescence Dual-Mode p H Sensing Method Based on Janus Microparticles[A];第十九届全国光散射学术会议摘要集[C];2017年

4 Jing Wang;Shuping Xu;Weiqing Xu;Haiyu Wang;;Porous Heterogeneous Au@CuO Nanrod Array: Photocatalytic and SERS Applications[A];第十九届全国光散射学术会议摘要集[C];2017年

5 何璇;;仿生表面增强拉曼散射(SERS)芯片的设计及在爆炸物痕量分析中的应用[A];2017年版中国工程物理研究院科技年报[C];2018年

6 Pir Muhammad;Zhen Liu;;Boronate affinity molecularly imprinted polymers combined with surface enhanced Raman Scattering(SERS) for the detection of glycoproteins[A];第二十届全国色谱学术报告会及仪器展览会论文集（第二分册）[C];2015年

7 赵祥伟;牟忠德;刘兵;薛江阳;王德龙;顾忠泽;;基于有序微纳结构的SERS检测及其生物医学应用[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第四分会：生物分析和生物传感[C];2016年

8 庄洪军;李敏;;一种基于SERS技术检测锌离子的新方法[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第三分会：纳米传感新原理新方法[C];2016年

9 赵冰;贾慧颖;王延飞;;新型SERS基底的制备与功能化半导体纳米粒子的SERS研究[A];第十三届全国光散射学术会议论文摘要集[C];2005年

10 孙献文;朱纪春;张振龙;韩俊鹤;魏凌;莫育俊;;激光刻蚀银胶的制备及其SERS应用[A];第十二届全国光散射学术会议论文摘要集[C];2003年

相关重要报纸文章 前3条

1 本报记者 孙萌萌;“科学的光环无法刻意‘打造’”[N];人民政协报;2017年

2 记者 刘肖勇;半导体表面增强拉曼散射基底研究取得进展[N];广东科技报;2019年

3 记者 吴吉 通讯员 段文迪 孙铭泽;哈工大(深圳)本科生论文上顶级期刊[N];深圳商报;2019年

相关博士学位论文 前10条

1 王维康;表面增强拉曼光谱在活性氧及其相关物质检测中的应用[D];华东师范大学;2019年

2 李振;过渡金属硫化物材料的制备、表征及在SERS中的应用研究[D];山东师范大学;2019年

3 孙成彬;仿生基底在SERS检测及药物靶向释放过程中的应用[D];吉林大学;2019年

4 邓荣;多功能纳米粒子在癌症的SERS检测和精准治疗中的应用[D];吉林大学;2019年

5 邹玉秀;石墨纳米囊在SERS定量分析和生物医学中的应用[D];湖南大学;2018年

6 郭红燕;多功能磁性/贵金属复合SERS基底的制备及应用研究[D];中国科学技术大学;2018年

7 杨琳;典型癌症标志物的SERS免疫分析及光热免疫分析新方法[D];西南大学;2018年

8 王俊峰;金/银壳磁珠及其复合基底的可控制备与SERS检测关键技术研究[D];国防科学技术大学;2016年

9 伍磊;基于表面增强拉曼光谱（SERS）的多元蛋白检测芯片技术基础研究[D];东南大学;2017年

10 李洪吉;复合型银基SERS印迹探针的制备及其选择性检测环境水体中有机污染物的行为研究[D];江苏大学;2018年

相关硕士学位论文 前10条

1 陈艳;脂质体@贵金属纳米材料的生物催化特性及其SERS示踪的光热可控药物释放研究[D];东北师范大学;2019年

2 李珊珊;银/半导体高效SERS基底的合成及应用研究[D];山东大学;2019年

3 路阳;SPPs在微纳光学器件及SERS基底设计中的应用[D];兰州大学;2019年

4 杨东;基于光场和加工结构调控的GO复合基底的SERS研究[D];太原理工大学;2019年

5 李欣;适配体调控掺N碳点催化活性SERS/荧光光谱检测水胺硫磷[D];广西师范大学;2019年

6 李仁;姜黄素抑制人肝癌细胞的表面增强拉曼光谱研究[D];福建师范大学;2018年

7 张文远;铜基银纳米结构柔性SERS基底制备及其在生物传感器上的应用[D];山东师范大学;2019年

8 温馨;高度有序合金阵列的制备及表面增强拉曼散射特性[D];福建师范大学;2018年

9 李轩;表面分子印迹聚合物的制备及其SERS应用研究[D];广西科技大学;2019年

10 郭雨;柔性SERS基底的制备及其性能研究[D];山东师范大学;2019年

本文编号：2818770