CN108227057A - 一种基于光栅共振的sers基底及其制备方法 - Google Patents

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郑亮
毛明健
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徐溢
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Abstract

本发明公开了一种基于光栅共振的SERS基底及其制备方法，包括衬底，所述衬底表面设有金属纳米光栅，在光栅条的侧壁上附着金属纳米颗粒，所述金属纳米颗粒通过金属盐溶液与光栅条侧壁的置换反应制得，在金属纳米光栅表面及栅槽底部均覆盖有隔离层。其具有较高的增强系数，一致性和重现性好，制备工艺简单。

Description

一种基于光栅共振的SERS基底及其制备方法
技术领域
本发明涉及拉曼光谱技术领域，具体涉及一种基于光栅共振的SERS基底及其制备方法。
背景技术
SERS效应是指：分子非常靠近或吸附在金属纳米结构的表面时，其拉曼信号强度显著增强。SERS作为一种分析检测手段，具有高灵敏度、高选择性和无损探测等优势，因此在各个领域应用广泛。相关领域的研究主要都聚焦在SERS基底的制备方面，其应用取决于提供高灵敏度、低检测极限的SERS基底。
由于在纳米尺度下材料具有的一些特殊效应，如表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应及介电限域效应等，使得纳米材料具备独特的光学、电学、磁学及催化性能而受到人们越来越多的关注，基于纳米材料的器件设计和应用成为新的研究热点。纳米器件的这一效应的发现在很大程度上克服了拉曼光谱的局限，有效地解决了拉曼光谱在表面科学和痕量分析中存在的低灵敏度问题。
SERS技术能够极大地增强待测分子的拉曼信号，可以实现对化学及生物分子的痕量检测和鉴定。在SERS领域中，基底的制备一直是研究热点之一，因为基底的质量对光谱的信号有着非常重要的影响。自从SERS现象被发现之后，新型基底不断涌现。近年来，周期金属纳米结构引起广泛的关注，得益于其均匀一致的形貌，周期结构往往具有很好的SERS重现性。
现有SERS基底大致有两类制作方法：
1）物理沉积或化学合成纳米颗粒方法。采用溅射、真空蒸发等物理方法在衬底上制备金属纳米颗粒形成SERS活性基底，通过调节参数来调控纳米颗粒尺度；或者配制前驱体溶液，采用化学合成的方法制作金属纳米颗粒，并沉积在衬底上形成SERS活性基底，可以通过调整溶液配比或者反应条件，来调控纳米颗粒的尺度。这类方法的优势是制作方法简单，可以实现快速、批量的制作。缺点是纳米颗粒的分布不均匀，SERS活性基底的一致性比较差，即同一活性基底上不同区域的增强系数不同，不同基底之间的增强系数也有较大差异。
2）通过纳米光刻、离子刻蚀等方法，制作有序纳米结构形成SERS基底。这种方法的优势是活性基底的一致性比较好，缺点是制作工艺要求比较高。
现有技术中，利用金属纳米颗粒的高增强系数与纳米有序结构相结合，通过相互耦合进一步提高增强系数。但是目前报道的方法一般采用纳米光刻或者离子刻蚀工艺制作纳米有序结构，再通过溅射、蒸发等物理方法或者化学合成纳米颗粒的方法，在纳米有序结构表面进一步沉积金属纳米颗粒，导致金属纳米颗粒在纳米有序结构上的分布是随机的，虽然纳米光栅与纳米粒子耦合使得基底的增强系数有所提高，但基底的一致性无法得到保证。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光栅共振的SERS基底及其制备方法，其具有较高的增强系数，一致性和重现性好，制备方法工艺简单。
本发明所述的基于光栅共振的SERS基底，包括衬底，所述衬底表面设有金属纳米光栅，在光栅条的侧壁上附着金属纳米颗粒，所述金属纳米颗粒通过金属盐溶液与光栅条侧壁的置换反应制得，在金属纳米光栅表面及栅槽内均覆盖有隔离层。
进一步，所述隔离层为二氧化硅纳米薄膜。
进一步，所述隔离层的厚度为5~20nm。
进一步，所述金属纳米光栅的厚度为10~100nm，栅槽的间距为10~500nm。
进一步，所述金属纳米光栅的材质为铜，所述金属纳米颗粒的材质为银。
一种基于光栅共振的SERS基底的制备方法，其包含如下步骤：
1）在衬底表面沉积金属薄膜，
2）在金属薄膜上涂覆光刻胶并进行光刻，
3）在衬底上方刻蚀出金属纳米光栅，
4）选用金属盐溶液与光栅条的侧壁发生置换反应，在光栅条的侧壁反应生成金属纳米颗粒，
5）去除光刻胶，在金属纳米光栅表面级栅槽内沉积隔离层，得到SERS基底。
进一步，所述步骤1）中的金属薄膜为铜薄膜，步骤4）中的金属盐溶液为硝酸银溶液。
进一步，所述硝酸银溶液的浓度为1~100mmol/L。
进一步，所述衬底为半导体或玻璃。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明所述金属纳米颗粒是通过盐溶液与金属纳米光栅侧壁的置换反应制得，使得金属纳米颗粒的位置分布可控，提高了基底的结构均匀性，避免了现有物理沉积或者化学合成金属纳米颗粒，导致SERS基底一致性较差的问题；同时，通过金属纳米光栅和金属纳米颗粒的耦合作用，提高了基底的增强系数。
2、本发明通过在在金属纳米光栅表面及栅槽内附着隔离层，能够有效隔离金属纳米光栅和金属纳米颗粒与外部环境，提高了基底的稳定性。
3、本发明所述的制备工艺流程简单，便于批量化制造。
附图说明
图1是本发明的基底的结构示意图。
图中，1—衬底，2—金属纳米光栅，3—金属纳米颗粒，4—隔离层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。
参见图1，所示的基于光栅共振的SERS基底，包括衬底1，所述衬底1表面设有金属纳米光栅2，在光栅条的侧壁上附着金属纳米颗粒3，所述金属纳米颗粒3通过金属盐溶液与光栅条侧壁的置换反应制得，在金属纳米光栅2表面及栅槽内均覆盖有隔离层4。
优选地，所述金属纳米光栅2的材质为铜，所述金属纳米颗粒3的材质为银，所述隔离层4为二氧化硅纳米薄膜。所述隔离层4上表面为平面，与金属纳米光栅2上表面的间距为5~20nm。所述金属纳米光栅2的厚度为10~100nm，相邻金属纳米光栅2之间的间距为10~500nm。
实施例一，一种基于光栅共振的SERS基底的制备方法，其包含如下步骤：
1）在半导体衬底表面制备一层铜薄膜，所述铜薄膜表面进行严格的去氧化层、干燥处理；
2）在铜薄膜上涂覆一层光刻胶并进行光刻；
3）在衬底上方刻蚀出铜光栅，所述铜光栅的厚度为10nm，栅槽的间距为10nm；
4）选用100mmol/L的硝酸银溶液与铜光栅侧壁在室温下发生置换反应，反应时间为1min，再进行去离子水清洁处理，然后进行压缩氮气干燥处理；由于光栅条的顶面涂覆有光刻胶，半导体衬底不与盐溶液反应，在进行置换反应时，将铜光栅直接置于盐溶液内即可；
5）去除光刻胶，在铜光栅表面及栅槽内沉积二氧化硅纳米薄膜，二氧化硅纳米薄膜的厚度为5nm，得到SERS基底。
实施例二，一种基于光栅共振的SERS基底的制备方法，其包含如下步骤：
1）在半导体衬底表面制备一层铜薄膜，所述铜薄膜表面进行严格的去氧化层、干燥处理；
2）在铜薄膜上涂覆一层光刻胶并进行光刻；
3）在衬底上方刻蚀出铜光栅，所述铜光栅的厚度为100nm，栅槽的间距为500nm；
4）选用1mmol/L的硝酸银溶液与铜光栅侧壁在室温下发生置换反应，反应时间为20min，再进行去离子水清洁处理，然后进行压缩氮气干燥处理；
5）去除光刻胶，在铜光栅表面及栅槽内沉积二氧化硅纳米薄膜，二氧化硅纳米薄膜的厚度为20nm，得到SERS基底。
实施例三，一种基于光栅共振的SERS基底的制备方法，其包含如下步骤：
1）在半导体衬底表面制备一层铜薄膜，所述铜薄膜表面进行严格的去氧化层、干燥处理；
2）在铜薄膜上涂覆一层光刻胶并进行光刻；
3）在衬底上方刻蚀出铜光栅，所述铜光栅的厚度为50nm，栅槽的间距为250nm；
4）选用50mmol/L的硝酸银溶液与铜光栅侧壁在室温下发生置换反应，反应时间为10min，再进行去离子水清洁处理，然后进行压缩氮气干燥处理；
5）去除光刻胶，在铜光栅表面及栅槽内沉积二氧化硅纳米薄膜，二氧化硅纳米薄膜的厚度为15nm，得到SERS基底。
实施例四，一种基于光栅共振的SERS基底的制备方法，其包含如下步骤：
1）在半导体衬底表面制备一层铜薄膜，所述铜薄膜表面进行严格的去氧化层、干燥处理；
2）在铜薄膜上涂覆一层光刻胶并进行光刻；
3）在衬底上方刻蚀出铜光栅，所述铜光栅的厚度为30nm，栅槽的间距为200nm；
4）选用25mmol/L的硝酸银溶液与铜光栅侧壁在室温下发生置换反应，反应时间为8min，再进行去离子水清洁处理，然后进行压缩氮气干燥处理；
5）去除光刻胶，在铜光栅表面及栅槽内沉积二氧化硅纳米薄膜，二氧化硅纳米薄膜的厚度为15nm，得到SERS基底。

Claims (9)

1.一种基于光栅共振的SERS基底，其特征在于：包括衬底，所述衬底表面设有金属纳米光栅，在光栅条的侧壁上附着金属纳米颗粒，所述金属纳米颗粒通过金属盐溶液与光栅条侧壁的置换反应制得，在金属纳米光栅表面及栅槽底部均覆盖有隔离层。
2.根据权利要求1所述的基于光栅共振的SERS基底，其特征在于：所述隔离层为二氧化硅纳米薄膜。
3.根据权利要求1或2所述的基于光栅共振的SERS基底，其特征在于：所述隔离层的厚度为5~20nm。
4.根据权利要求1或2所述的基于光栅共振的SERS基底，其特征在于：所述金属纳米光栅的厚度为10~100nm，栅槽的间距为10~500nm。
5.根据权利要求1或2所述的基于光栅共振的SERS基底，其特征在于：所述金属纳米光栅的材质为铜，所述金属纳米颗粒的材质为银。
6.一种基于光栅共振的SERS基底的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）在衬底表面沉积金属薄膜，
2）在金属薄膜上涂覆光刻胶并进行光刻，
3）在衬底上方刻蚀出金属纳米光栅，
4）选用金属盐溶液与光栅条的侧壁发生置换反应，在光栅条的侧壁反应生成金属纳米颗粒，
5）去除光刻胶，在金属纳米光栅表面及栅槽内沉积隔离层，得到SERS基底。
7.根据权利要求6所述的基于光栅共振的SERS基底的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中的金属薄膜为铜薄膜，步骤4）中的盐溶液为硝酸银溶液。
8.根据权利要求7所述的基于光栅共振的SERS基底的制备方法，其特征在于：所述硝酸银溶液的浓度为1~100mmol/L。
9.根据权利要求6或7所述的基于光栅共振的SERS基底的制备方法，其特征在于：所述衬底为半导体或玻璃。
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