《基於微納結構半導體材料Mie共振調控的SERS增強機制研究》是依託大連理工大學,由紀偉擔任醒目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於微納結構半導體材料Mie共振調控的SERS增強機制研究
- 依託單位：大連理工大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：紀偉
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
基於半導體的表面增強拉曼散射（SERS）研究對SERS技術套用領域的拓寬具有極為重要的意義，其中增強機制的建立是半導體SERS技術發展中亟待解決的關鍵問題。光誘導電荷轉移模型的提出促使研究者在更多的半導體材料表面觀測到SERS效應，但基於該模型的化學增強機制並不能完全解釋實驗中觀測到的現象，電磁場增強模型的缺失使得半導體SERS備受質疑。理論研究表明半導體微納結構可以產生強烈的Mie共振效應，提升局域電場強度，從而提高近場散射效率。本項目擬以微納結構半導體材料作為SERS活性基底，通過改變半導體的尺寸和折射率調控基底Mie共振模式的場分布，研究Mie共振對半導體SERS效應的影響，並結合理論計算深入揭示Mie共振與半導體SERS電磁場增強機制的內在關聯，初步構建半導體SERS的物理增強模型，提高對半導體SERS增強機制的認識，同時為設計和改善半導體SERS活性基底及其靈敏度提供新思路。
結題摘要
半導體微納結構可以產生Mie共振效應，提升局域電場強度，從而提高近場散射效率。本項目以亞微米球形半導體粒子為模型，開展基於半導體Mie共振調控的SERS增強機制研究。主要目標集中在：（1）開發可用於球形半導體粒子近場散射效率計算的程式代碼，為研究和設計具有Mie共振效應的微納結構半導體材料提供理論指導；（2）依據理論計算結果，製備可產生Mie共振效應的亞微米級球形半導體粒子，研究Mie共振特性與SERS效應的內在關聯，探討Mie共振效應對SERS增強的作用規律，構建基於Mie共振效應的半導體SERS電磁場增強機制；（3）依據構建的增強機制模型，設計並製備幾種新型SERS活性半導體基底材料，驗證增強機制的合理性。基於Mie近場散射理論，開發了可用於球形半導體粒子近場散射效率計算的程式代碼，系統研究了半導體材料折射率、粒徑及激發光波長對Mie共振效應的作用規律。理論研究表明，具有高折射率，低介電常數的半導體材料可以產生較強的Mie共振模，是製備高SERS活性半導體基底的理想材料。以亞微米級ZnO超結構作為模型，理論和實驗研究發現Mie共振效應可以對SERS增強產生電磁場增強貢獻，其大小近似等於近場散射效率的平方。同時，Mie共振效應可以與化學增強貢獻耦合，產生協同增強貢獻，顯著提高半導體材料的SERS活性。在構建的理論框架下，設計和製備了亞微米級球形ZnO超結構和亞微米級中空V2O5粒子，在這兩種基底表面均獲得了較高的SERS增強效果，歸因於Mie共振和化學增強機制協同作用的結果。這些實驗結果進一步證實我們基於Mie共振效應構築的半導體SERS電磁場模型具有正確性和普適性。半導體SERS電磁場增強模型的構建，拓展了半導體SERS技術的普適性，在套用時不必受限於分析物的能級結構。這一理論和實驗上的突破為我們對涉及半導體材料表/界面問題的全面深入研究提供了契機。同時，也將為半導體SERS活性基底的設計與合成提供新策略，對半導體SERS技術的改進和推廣有著極為重要的指導意義。
