基于金属-TiO2界面肖特基势垒调控的表面增强拉曼散射研究

Surface-enhanced Raman scattering (SERS) is a high sensitive analysis technology for surface and interface of material. Nowadays the international "bottleneck" problem of SERS study is that the understanding of the SERS chemical mechanism is not enough to support the expansion of its practical application. Building ideal SERS mechanism research model is an effective way to solve this problem. Metal - semiconductor heterojunction is expected to be used as SERS mechanism research by increasing the visible light response and increasing the lifetime of photoexcited electrons and holes. In this application, we would use the metal – semiconductor heterojunction as a model. In this system, incident light make the crisscross band generate coupling effect at the interface between metal and semiconductor, which is a new approach for SERS mechanism study. Based on the theoretical foundation of metal-TiO2 heterojunction induced high electrochemical activity, the project plans to study SERS chemical mechanism by controlling the schottky barrier height of interface. By the regulation of electrical characteristics of composite structure interface, the charge separation efficiency and the charge transfer process would be changed, which could be used to implement fine control of the SERS activity. This project would hopefully reveal the internal connection between SERS effect and photoelectric properties of metal-TiO2 heterojunction. On the basis of photoelectric control of interface the results of this research would be used as a guiding technology foundation for the research of SERS further applications in photoelectric field.

表面增强拉曼散射（SERS）是一种应用于表面（界面）原位检测的高灵敏分析技术。然而，当前国际上对SERS化学增强理论认识的不足是制约其在新材料领域应用的瓶颈问题。构筑理想的SERS机制研究模型，是解决该问题的有效途径。金属-半导体异质结具有提高可见光响应和光激发电子-空穴寿命的特性，有望为SERS机制研究提供一种新的途径。本申请以金属-半导体异质结为SERS研究模型，利用异质结影响体系的光生电子重新分布和转移的原理，考察其对SERS增强效应的贡献。通过在TiO2表面接触不同的金属材料，改变金属-TiO2界面的肖特基势垒高度，从而调控体系的电荷分离效率及电荷传输过程，进一步探索其与SERS效应之间的内在规律；基于金属-半导体界面的交错能级结构与入射光之间的耦合作用，通过改变入射光激发波长，考察其耦合作用对SERS化学增强效应的影响，揭示SERS增强机制在金属-半导体异质结中的表现规律。

表面增强拉曼散射（SERS）技术是一种对表面或界面进行高灵敏原位表征的工具。本项目针对半导体工业中SERS技术的应用空白，构筑了具有较高SERS活性的TiO2纳米管阵列材料及金属/n-TiO2复合材料，探究了肖特基势垒的电荷传输特性对SERS效应的影响，并对其中的内在规律给出了合理的解释。本研究为SERS的化学增强机制提供了一类理想的研究模型，并拓宽了SERS技术在半导体材料光电器件研究领域的应用。主要的研究内容如下：.（1）二氧化钛纳米管阵列（TNAs）基底的SERS活性.采用阳极氧化法成功制备了表面清洁、尺寸均一、性质稳定及生长牢固的二氧化钛纳米管阵列结构。通过对纳米管材料的管径、长度的优化，最终获得具有较高SERS活性和良好检测重现性的二氧化钛纳米管阵列（TNAs）基底材料。.（2）以金纳米簇/TiO2复合结构为基底研究肖特基势垒对SERS效应的影响.利用Au与TiO2界面形成的肖特基势垒，得以探究肖特基界面的电子捕获和SERS的协同作用。研究发现肖特基势垒促进了TiO2的声子模式Eg的激发能量依赖效应，随着激发能量升高，Eg模向高波数移动。 .（3）利用肖特基型Ag/TiO2光催化剂实现甲醛的SERS监测.基于在半导体催化剂的表面沉积贵金属，使其界面形成肖特基势垒以提高催化活性的原理，我们构筑了Ag/TiO2纳米管复合材料，研究发现利用肖特基势垒不仅可调控体系的SERS活性，同时可调控出较高的光催化降解能力，最终建立了一种用于甲醛检测的新颖、快速和高灵敏度的SERS传感器。.（4）基于太阳能电池中FTO/TiO2界面肖特基势垒的SERS效应研究.将含有肖特基势垒的FTO/TiO2作为光阳极，将其组装成染料敏化太阳能电池；借助染料作为拉曼探针，利用拉曼光谱研究太阳能电池中能带耦合作用与SERS效应的协同作用，探究了太阳能电池中肖特基界面调控的载流子传输特性对SERS效应的影响，并给出了合理的解释。