几个影响表面增强拉曼散射的因素的理论研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 12次 | 上传用户:yjfu
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表面增强拉曼散射(SERS)效应是指分子等物种吸附或者非常靠近具有某种纳米结构基底表面时,其拉曼信号显著增强的现象。SERS光谱技术有效地克服了常规拉曼光谱灵敏度低的缺点,因而被广泛的应用于表面科学、分析科学和生物科学等各个领域。目前普遍接受的SERS效应的增强机理有两种,电磁场增强和化学增强。由于影响SERS的因素十分复杂,在实验中很难检测到化学增强对总的SERS增强的贡献,而借助理论研究可以对化学增强机理进行更为微观具体的探究。本文利用密度泛函理论及含时密度泛函理论方法对不同体系的SERS光谱进行模拟,系统研究了影响SERS效应化学增强的几种因素,即电荷转移形式,外电场,石墨烯和掺杂石墨烯为基底对SERS的影响。主要工作包括以下三个方面:  一、以Au3-1,4-BDT-Au3三明治结构为模型研究了不同形式的电荷转移对SERS效应化学增强的影响,对不同形式的电荷转移增强机理的贡献进行了讨论,我们在共振光谱的计算中选用四种不同波长的入射光与四种具有代表性的电荷转移激发态产生共振。这四种电荷转移激发态分别是团簇到分子,分子内,分子到团簇以及团簇内的电荷转移激发态。相比于表面增强拉曼光谱,表面增强共振拉曼光谱信号增强明显,这可归因于不同形式的电荷转移共振增强。  二、以Pyridine-Au20复合物为模型研究了其在外电场作用下的拉曼光谱和激发态性质,对外电场对表面增强拉曼散射的影响进行了讨论。外电场的引入轻微的改变了复合物的平衡结构和极化率,导致振动频率的偏移以及拉曼强度的选择性增强。此外,通过改变外电场场强大小,可以调控电荷转移跃迁的能量大小,从而调控电荷转移跃迁能量与入射光频率的共振程度,进而调控拉曼光谱信号的增强因子。同时,振动模式的拉曼强度对外电场的方向很敏感,可通过调控电场的方向来增强或者抑制特定振动模式的拉曼强度。  三、以Ag2-PATP-Au2三明治结构吸附在石墨烯以及掺硼石墨烯的表面为模型,研究了石墨烯和掺硼石墨烯基底对SERS效应的影响,并对该体系的电荷转移机理进行了讨论。石墨烯和掺硼石墨烯与三明治结构之间的相互作用引起电荷的重新分布以及静态极化率的变化,并且直接影响了常规拉曼光谱的强度。吸收光谱显示,石墨烯和掺硼石墨烯的引入在可见和红外区域产生了一些电荷转移激发态。当入射光的能量接近这些电荷转移激发态的能量时,电子跃迁被激发,导致预共振拉曼光谱增强。其中,掺硼石墨烯模型的预共振拉曼光谱相比石墨烯模型拥有更强的拉曼强度,因为它产生了更多的强振子强度高且能量接近入射光的电荷转移激发态,共振效应更强,谐振强度且能量接近入射光的电荷转移激发态。利用电荷差异密度方法直观的观测了从石墨烯表面到PATP分子的电荷转移。
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