固體所研發(fā)出多層同軸納米間隙陣列超高靈敏度SERS基片

發(fā)布日期：2024-01-08 作者：劉毛瀏覽次數(shù)：595

近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所孟國文團(tuán)隊(duì)與西湖大學(xué)文燎勇團(tuán)隊(duì)等合作，發(fā)展了一種大面積多層同軸納米間隙有序陣列的批量可控制備方法，同軸納米間隙的寬度可精準(zhǔn)調(diào)控至2 nm，產(chǎn)生高密度的環(huán)形表面增強(qiáng)拉曼散射“熱點(diǎn)”，實(shí)現(xiàn)了對(duì)湖水中痕量毒死蜱和福美雙等農(nóng)殘的快速準(zhǔn)確超高靈敏度響應(yīng)。相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Optical Materials (Adv. Opt. Mater. 2023, 11, 2300508)。

當(dāng)金屬納米結(jié)構(gòu)之間的間隙小于10 nm時(shí)，將發(fā)生電磁場(chǎng)耦合增強(qiáng)，產(chǎn)生顯著的表面增強(qiáng)拉曼散射(Surface-enhanced Raman Scattering, SERS)效應(yīng)，因此這些納米間隙被稱為SERS“熱點(diǎn)”。當(dāng)間隙寬度減小至~2 nm時(shí)，將產(chǎn)生最強(qiáng)的SERS信號(hào)，位于間隙中的分子的拉曼散射信號(hào)被放大百萬倍以上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)痕量分子甚至單分子的超高靈敏度檢測(cè)，在環(huán)境污染物檢測(cè)、食品安全篩查和生物傳感等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，需要構(gòu)筑大面積均勻有序排列的高密度納米間隙陣列，以便獲得盡量多的SERS熱點(diǎn)提高檢測(cè)靈敏度，同時(shí)保證SERS檢測(cè)信號(hào)的均勻性和可重復(fù)性。然而，如何低成本、高效、可控地制備出大面積均勻排列的小尺寸納米間隙陣列，是該領(lǐng)域國際上的研究熱點(diǎn)和面臨的挑戰(zhàn)。

博士生閆思思等科研人員經(jīng)過不斷摸索，發(fā)展了一種批量可控制備大面積均勻排列的多層同軸納米間隙陣列SERS基片的新方法。首先，用大面積規(guī)則有序排列的凸模對(duì)鋁片預(yù)壓印，在其表面形成有序凹坑陣列；然后，對(duì)鋁片進(jìn)行陽極氧化，預(yù)壓后形成的凹坑陣列將“誘導(dǎo)”鋁片在陽極氧化過程中形成大面積規(guī)則有序排列的納米孔陣列(圖1a-c)；接著，采用原子層沉積(ALD)技術(shù)在規(guī)則有序排列的AAO孔壁內(nèi)交替沉積厚度精確可控的氧化鈦和氧化鋁薄層，其中ALD沉積的氧化鋁薄層作為犧牲層，被腐蝕去除后，即可形成大面積規(guī)則有序排列的同軸納米間隙，其寬度由ALD沉積的氧化鋁薄層的厚度決定，可實(shí)現(xiàn)精確調(diào)控(圖1d-i)；最后，采用物理濺射方法在剩余的氧化鈦同軸納米管表面濺射一層很薄的銀納米顆粒，獲得了大面積(~cm2)規(guī)則有序排列的高密度同軸環(huán)形納米間隙陣列(圖2)，間隙的尺寸可調(diào)控至 2 nm，從而產(chǎn)生高密度的SERS增強(qiáng)“熱點(diǎn)”，SERS增強(qiáng)因子高達(dá) 4 × 108?？蒲腥藛T采用這種SERS基片，實(shí)現(xiàn)了對(duì)低至 10 fM的羅丹明6G分子和湖水中的痕量毒死蜱(檢測(cè)限 0.125 ppm)以及福美雙(檢測(cè)限 1.8 ppb)的快速檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際濃度的偏差小于10% (圖3)，檢測(cè)到的濃度低于環(huán)保部規(guī)定的最大殘留限量標(biāo)準(zhǔn)。

與現(xiàn)有的納米間隙制造技術(shù)相比，該方法能夠成本低地批量可控制備大面積均勻有序規(guī)則排列的高密度納米間隙陣列，這些納米間隙陣列不僅能夠作為SERS基片快速檢測(cè)痕量物質(zhì)，而且有望在納米光子學(xué)、電子學(xué)和催化等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

該工作得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、安徽省科技重大專項(xiàng)、中科院前沿重點(diǎn)項(xiàng)目等資助。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202300508