论文部分内容阅读
拉曼(Raman)光谱作为分子的“指纹谱”,可以通过对分子振动的探测,实现对物理、化学、生物等各种复杂系统的高信息量分析。拉曼光谱学广泛应用于固体、液体以及气体样品的研究,是一种强大的化学分析光谱技术。然而在自发拉曼散射过程中,只有约千万分之一与分子相互作用的光子会经历拉曼散射的过程,以至于拉曼散射信号通常很弱,拉曼光谱的检测灵敏度受到了极大的限制。1974年,Fleischmann等人首次发现了附着在粗糙银电极表面的吡啶分子具有很强的拉曼信号,后来这种现象被命名为表面增强拉曼散射(SERS)效应。SERS技术的出现为解决自发拉曼光谱的低灵敏度提供了有效的解决途径。除此之外,纳米技术的不断发展也为SERS技术的应用奠定了扎实的基础。本文利用银纳米材料,制备了新型的SERS基底,并通过实验仪器(包括扫描电子显微镜,拉曼光谱仪等),对基底的形貌及其SERS的特性进行了细致的研究。于此同时,利用时域有限差分法(FDTD)从理论上对基底进行了研究和讨论。本文主要制备了具有压电效应的(PVDF/AgNWs)SERS基底,和具有光催化效应的(ZnTiO3/AgNPs)SERS基底。具体的研究内容如下:1.PVDF/AgNWs压电SERS基底的制作及特性研究1880年压电效应的首次发现引起了人们的广泛关注,在众多压电材料中,聚偏氟乙烯(PVDF)作为代表材料被广泛的研究。我们通过简单的旋涂方法,制备了一种具有压电效应的SERS基底。实验结果表明,该衬底不但具有良好的SERS增强特性,并且可以通过作用力的大小和位置调谐SERS信号的强度。此外,我们结合FDTD数值计算对基底的局域电场进行了理论模拟。该基底可以推广并应用于压力传感器、音频响应等其他小型智能化传感领域,从一定程度上促进了便携式、快速、实时检测技术的发展。2.ZnTiO3/AgNPs光催化SERS基底的制作及特性研究近几年,半导体材料(例如TiO2和ZnO)因其良好的光催化活性而被用于制作可重复使用的SERS基底。然而,材料的性质会对光催化的性能产生影响,钛酸锌(ZnTiO3)具有比TiO2和ZnO更窄的带隙以及更高的电子迁移率,理论上会有更好的光催化性能。我们利用高温煅烧制成ZnTiO3,并在上面滴入AgNPs溶液,从而制成ZnTiO3/AgNPs基底。将实验和理论模拟结果对照分析后,发现ZnTiO3/AgNPs衬底不仅具有优异的SERS增强特性,并且可以在可见光的照射下有效的降解R6G,经过5个循环后仍能表现出较强的SERS增强效果。相应的结果表明:该基底在具有较高的灵敏度的同时具有很好的光催化性能,是一种应用前景广泛的SERS基底。本论文由以下5个章节组成:第一章为绪论部分,简单的介绍了拉曼光谱学的发展和SERS的两种主要增强机制。第二章介绍了计算电磁学及常用的数值方法,主要介绍了FDTD理论,并对其方程解的稳定性和边界条件进行了阐述。第三章和第四章介绍了两种基于银纳米材料的新型SERS基底的制备和相关特性的研究。第三章制备了PVDF/AgNWs压电SERS基底,由于其柔性和压电特性,基底会因为所受压力的不同而表现出不同的SERS效应。除此之外,基底在不同弯曲程度下的SERS强度也不同。通过对基底所受弯曲力和压力的调节,实现了对SERS的调节,此材料还可以进行弯曲并制作成可穿戴材料,具有十分广泛的应用前景。第四章制备了ZnTiO3/AgNPs光催化SERS基底。其可以实现对探针分子(R6G)的低浓度检测(10-1212 mol/L),5次的循环检测证明了其可以进行反复的使用,具有不错的应用前景。第五章对本文的工作进行了总结和展望。