半导体材料表面增强拉曼散射的分析应用

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1、半导体材料的表面增强拉曼散射的分析应用纪伟，赵兵，尾崎幸得益于表面增强拉曼散射（SERS）活性衬底的显著发展，SERS技术日益成为在各个领域的一项重要的分析技术。半导体材料所固有的理化特性提供了基于SERS的分析技术的发展和改进的可能，因此基于半导体的SERS技术特别有趣。根据半导体材料的SERS的效应，基于半导体的SERS技术可分为两个区域：（1）半导体增强拉曼散射，其中半导体材料直接用作底物用于增强吸附分子的拉曼信号；（2）半导体介导的增强拉曼散射，其中半导体被用作一个“天线”或“陷阱”，用以调制由金属基板造成的拉曼增强。然

2、而基于半导体的SERS理论仍然不完整，正在不断发展，基于半导体的SERS技术为生物分析，光催化，太阳能电池，传感和光电器件等领域带来了实质性的进展。这次回顾的目的是概述这一新兴研究领域的最新进展，并特别强调了其分析性能和应用领域。版权所有@015年约翰·威利父子有限公司关键词：半导体增强拉曼散射;半导体介导增强拉曼散射;基于半导体的SERS技术;半导体材料;金属/半导体混合动力介绍【1】弗莱希曼在1974年对增强拉曼散射效应的开拓性发现有了大量后续进展。由Jeanmaire，VanDuyne，阿尔布雷希特和克赖顿在1977年以后

3、的活动最终开拓了拉曼光谱的一个令人振兴的领域——表面【2,3】增强拉曼散射（SERS）。SERS现在已成为一个非常活跃的研究领域，诸如光学，光子学，表面科学，以及固态物理学领域。【4-6】】]经过40年的发展，由于高灵敏度和特异性分析以及用于非破坏性的实时分析选项原位，SERS已经成为一种广泛使用的强大技术。【7-10】作为一种表面光谱技术，SERS需要使用具有纳米级粗糙度的合适底物来实现拉曼强度的提高。在基于SERS应用程序的开发中，新的SERS活性基底的发展起着关键作用。通常情况下，因为金属纳米颗粒或纳米结构能通过表面等离子

4、体导致共振强电磁增强，它们被广泛地用于实现大幅度的SERS效应。【11-13】迄今为止，我们已经在金属基板上的控制，以及合成金属基片的组装和变形中取得巨大成就。【14-19】然而，这些进步在传感应用不断增加的需求面前仍然不够。半导体材料为传统SERS注入新的活力，由于其独特的光学，化学，电气和催化性能，更多具有发展前景的功能可能会被发现。【20-27】至今，各种关于在半导体基板上的增强拉曼散射效果的研究一直在进行。这些新的SERS技术可分为两个区域：（1）半导体增强拉曼散射，其中半导体材料直接用作底物用于增强吸附分子的拉曼信号；

5、（2）半导体介导的增强拉曼散射，其中半导体被用作一个“天线”或“陷阱”，用以调制由金属基板（例如金属/半导体异质结构）造成的拉曼增强。与传统的SERS相比，基于半导体的SERS拉曼增强被认为是各种共振（包【28】括表面等离子体，电荷转移，分子和激子共振）的组合。]虽然理论仍然不完整，在不断发展中，但基于半导体的表面增强拉曼光谱技术已被用于开发一些依赖半导体材料不同理化性质的具有前景的应用程序（图1）。这些令人瞩目的成就使人们对SERS的内在本质有了新的认识，并为推进基于SERS的分析应用研究提供真正的机会。这次审查旨在从前面提到

6、的两个方面勾勒出半导体材料基于SERS的分析实验的最新应用。对半导体感兴趣的读者可参考所引用的文章和参考文献来了解SERS的详细机制。图1关于各种基于半导体的表面增强拉曼散射（SERS）的应用程序示意图。半导体增强拉曼散射【29,30】SERS的半导体（金属氧化物）的表面研究可以追溯到20世纪80年代。半导体增强拉曼散射的出现对更好地理解SERS现象非常重要。但是，由于在半导体的合成和表征技术上的限制，人们只在具有相对较弱的增强效果的小型半导体（如NiO，GaP，和TiO【29-32】2）的表面观察到了这种现象。经验的缺乏使对该

7、理论模型在分析应用中的有效性和确定性优势的系统检查无法实现。因此在早期阶段，半导体增强拉曼散射没有得到广泛关注。近年来，得益于纳米科学技术的爆炸性发展，半导体增强拉曼散射有了显著的发展。越来越多的半导体材料，如金属氧化物【33-41】，金属硫化物【42,43】，金属碲化物【44】，金属卤化物【45,47】，和一些单个元件的半导体【48-51】被证明是SERS活性底物。此外，多种求解麦克斯韦方程组的数值方法已被开发并应用到研究光与小颗粒的相互作用中，这将有助于理解在实验现象中获得的的理论。许多新发现的SERS活性半导体拥有前所未见

8、或破纪录的增强因子，导致半导体增强拉曼散射的内在本质再次被讨论。然而，我们还是难以比较对材料的制备和性质的研究结果的不同。这种增强因子被认为【28】是从半导体增强拉曼散射的各种共振衍生出来的。例如，源于半导体价带的等离子共振，将提供增强因子为106的拉曼信号，【