金纳米结构设计制备及其表面增强拉曼散射特性研究

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1、分类号密级ＵＤＣ编号中国工程物理研究院学位论文？丨如—甘增强々眷丨择穴Ｋ１纳米结构赛表丨散身嘶件研究黄景林指导教师姓名＾Ｈ忡钨兵研究员１申请学位级别ＩＩ业名称论文提交日期ｉＭ＋ｊｊ」．．．．．．．论文答辩日期讀学位授予单位和日期》：：：§：程整里班．￡膣答辩委员会主席．＿＿Ｍｍｔ；？＿涵永ｉ砑究ｉＭ研究纪■授评阅人Ｔｉｔ．．．．＿．Ｉ—：．２０１卜年４月Ｍ日独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加

2、以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国工程物理研究院或其他教育机构的学位或证一书使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：签字日期：月；＾日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解并接受中国工程物理研究院研究生部有关保存、使用学位论文的规定，允许论文被査阅、借阅和送交国家有关部门或机构，同时授权中国工程物、理研究院研究生部可以将学位论文全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以影印缩印或扫描等复制手段保存

3、。、汇编学位论文一学位论文作者签名：导师签名：签字日期：ｙ／》气，月＞日签字日期：，金纳米结构设计制备及其表面增强拉曼散射特性研宄摘要ＥＲＳ一表面增强拉曼散射（Ｓ是种高灵敏度、高指纹识别性、高分辨率的原位探测技）术，，，非常适合以分子识别和探测为基础的各种研究领域具有巨大的应用前景。因此在其发现之初便备受瞩目，ＳＥＲＳ己在分子探测、生物医疗、环。经过四十多年的发展境监测、文物保护以及国家安全等众多领域发挥着越来越重要的作用。ＳＥＲＳ增强基底一直是ＳＥＲＳ研宄中的关键问题的设计和制备。纳米多孔金（ＮＰＧ）是近年来新发现

4、的—Ｓ，，结构均匀类ＳＥＲ增强基底材料其制备成本低廉，性能稳定，是极具潜力的ＳＥＲＳ基底材料。然而，传统的ＮＰＧ结构的ＳＥＲＳ增强能力较弱，不利于实现超低浓度探测，且其微观结构无序，不利于实现结构和性能的调控。针对上述问题，本文重点研宄了以下内容：（１）简要介绍了ＳＥＲＳ增强基底设计和制备研宄中所涉及到的局部电场的数值计算方法，即离散偶极近似法（ＤＤＡ）和时域有限差分法（ＦＤＴＤ）。随后，分别针对本论文中拟解决的两大问题进行理论分析，并结合ＦＤＴＤ算法设计了三种不同类型的新型ＮＰＧ结构，即梯度纳米多孔金（ＧＮＰＧ），岛状纳米

5、多孔金（ＩＮＰＧ）以及纳米多孔金半球壳阵列（ＮＰＧＦＯＮ），为后续实验制备奠定理论基础。（２）采用去合金化技术和磁控溅射技术结合，通过控制去合金化前驱体中成分的线性梯度变化，制备了具有沿薄膜厚度方向梯度变化的纳米孔隙结构的梯度纳米多孔金。采用二次离子质谱、ＸＰＳ深度剖析以及ＳＥＭ对ＧＮＰＧ的成分和结构进行了表征和分析，发现ＧＮＰＧ结构相对传统ＮＰＧ而言具有更加丰富的内部结构。采用罗丹明和结晶紫两种探针分子测试了ＧＮＰＧ的ＳＥＲＳ特性，发现ＧＮＰＧ具有较髙的ＳＥＲＳ增强能力和信号均匀性。为定量比较ＧＮＰＧ结构和传统ＮＰＧ结构的ＳＥ

6、ＲＳ增强能力，推导了适用于纳米多孔结构体系的增强因子计算公式，计算结果表明，ＧＮＰＧ的增强因子可达ＮＰＧ的８一ＧＮＰＧ的ＳＥＲＡｕ结构的局倍。进步的理论分析发现，Ｓ增强特性源于纳米尺度域表面等离子体共振（ＬＳＰＲ）效应，相邻纳米结构之间的近场耦合效应和梯度孔隙结构等三方面的共同作用。（３）通过控制去合金化前驱体中Ａｕ元素的含量，成功地制备出了岛状纳米多孔金一结构，ＩＮＰＧ由孤立分布的个个纳米金岛构成，。微观结构分析发现并且具有两个层。ＩＮＰＧ次的微观结构，即外部的岛状结构和内部的多孔网状结构岛状结构的尺寸可通ＳＥＲＳＩＮＰ过前

7、驱体成分来进行精确控制。测试结果表明，Ｇ的ＳＥＲＳ增强因子可达到传统ＮＰＧ的１０倍，而其Ａｕ的消耗量仅仅为传统ＮＰＧ的丨／４。其增强因子可通过改变岛结构的尺寸来进行调节。采用ＦＤＴＤ算法模拟了ＩＮＰＧ微观岛状结构周围的电磁场分布状态，结果表明，ＲＳ，，ＩＮＰＧ的岛状结构能够有效增强局部电场强度从而提高ＳＥ增强能力。此外Ｉ金纳米结构设计制备及其表面增强拉曼散射特性研究ＩＮＰＧ结构还具有优异的信号均匀性和重现性，相应的拉曼信号标准偏差仅为２．５％和６．５％。（４）通过将纳米球刻蚀技术和去合金化技术相结合，在聚苯乙烯（ＰＳ）纳

8、米微球基底上制备出了具有六角周期性结构的纳米多孔