小尺寸效应对半导体SERS基底活性的影响及化学机制研究

As a new type of SERS substrate, semiconductor nanomaterials has gradually been perceived, but the research in this area is still in exploratory stage. The study on the effect of semiconductor self-properties to SERS is seldom, and the specific enhancement mechanism is unclear. This subject by studying the changes of Raman spectra when using the different dimensions of the semiconductor as the SERS substrate to explore the dimensions of semiconductor nanomaterials on the SERS activity, optimize the different types of semiconductors as the best size range of the SERS substrate and explore new ways for improving semiconductor SERS substrate activity. Change semiconductor band structure through dimensions variation, and further change the adsorpted molecules- semiconductor charge transfer, confirm that the SERS enhancement comes from the chemical mechanism. Then build semiconductor SERS chemical mechanism model and further in-depth understanding of the SERS essence. Through the study of this project, it will further improve the enhance ability of the semiconductor SERS substrate, reveal the contribution of chemical enhancement to the selective enhance of surface-enhanced Raman scattering, and promote the development of ultra-sensitive detection technology and control technology. This subject has important guiding significance for the study on the area of life science, materials science, and single-molecule devices.

半导体纳米材料作为一种新型的SERS基底已逐渐被人们所认知，但是关于这方面的研究还在探索阶段。半导体本身性质对SERS的影响研究的还很少,系统的研究更是没有，SERS具体的增强机制还不清楚。本课题通过研究不同尺寸的半导体作为SERS基底时拉曼谱峰的变化来探讨半导体纳米材料的尺寸对SERS活性的影响，优化不同种类半导体作为SERS基底的最佳尺寸范围，探索提高半导体SERS基底活性的新途径。通过尺寸的变化调变半导体的能带结构,进而调变吸附分子-半导体的电荷转移,确认半导体中的SERS增强源于电荷转移的化学机制，建立半导体SERS化学机制的模型，进一步深入理解SERS的本质。通过本项目的研究将进一步提高半导体SERS基底的增强能力，揭示化学增强对于表面增强拉曼散射的选择性增强贡献，促进超灵敏探测技术和控制技术的发展，对于生命科学、材料科学及单分子器件研究有重要的指导意义。

随着各种相关技术的快速发展，超灵敏检测技术也日新月异。与其它超灵敏检测技术相比，拉曼光谱有极高的检测灵敏度、极高的选择性,可以进行微区检测、无损与原位检测。但目前应用的拉曼光谱技术也有其自身的局限：结果难以重复，SERS机理的不完善；基底材料少，限制了该技术的广泛应用。针对这些问题，人们利用各种技术和方法对SERS活性基底进行改进，并开展机制研究。目前半导体SERS领域遇到的问题主要有以下几点。一是作为SERS基底的半导体种类的拓宽；二是半导体SERS增强能力的提高；三是对半导体SERS增强机制的研究。. 半导体自身的性质对SERS的影响研究是非常必要的，了解半导体本身的性质与SERS活性的关系能够为提高其SERS活性和研究半导体SERS增强机制指明方向。基于这种思路，本课题通过研究半导体纳米材料的尺寸与半导体能级的关系及对SERS活性的影响。通过尺寸的变化调变半导体的能带结构,进而调变吸附分子-半导体的电荷转移,确认半导体中的SERS增强源于电荷转移的化学机制。实验表明，ZnO纳米粒子具有一定的SERS活性。随着纳米粒子的微晶尺寸的变化，SERS光谱的相对强度没有变化，但是绝对强度却有是先增大后急剧减小的过程。表明，通过基底粒子尺度的控制能够优化半导体基底性能，提高半导体SERS基底活性。SERS信号与基底尺寸间的关系，归属于受体-激发子复合物的最低激发能级与基态能级之间的差异随粒子尺寸的减小而增加，从而使得受体-激发子复合物与入射激光之间有最佳的匹配而导致，是一种电子转移共振模式，是半导体SERS信号来源于化学增强的直接证据。通过本项目的研究提高了半导体SERS基底的增强能力，初步揭示了化学增强对于表面增强拉曼散射的选择性增强贡献，促进超灵敏探测技术和控制技术的发展，对于生命科学、材料科学及单分子器件研究有重要的指导意义。