[發明專利]一種基于表面等離子體激元效應的SERS基底的設計方法

有效

• 申請號: 202010883583.2
• 申請日: 2020-08-28
• 公開（公告）號: CN111912829B
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發明（設計）人: 蘇巍;羅寅龍;易恬安;陳秉巖
• 申請（專利權）人: 河海大學常州校區
• 主分類號: G01N21/65
• 分類號: G01N21/65;B82Y15/00;B82Y40/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 丁濤

本發明公開了一種基于表面等離子體激元效應的SERS基底的設計方法，包括如下步驟：采用時域有限差分算法，設置SERS基底的結構，包括SiO₂基底層、Au金屬薄膜層、SiO₂介質層；確定仿真的初始條件；依次改變Au金屬薄膜層的厚度、SiO₂介質層的厚度、Au頂層金屬層的厚度、以及雙圓孔結構的縫距大小，利用FDTD solution軟件計算SERS基底的電場強度分布，根據電場強度分布計算SERS基底的增強因子，篩選出增強因子較大的結構作為優化之后的SERS基底。本發明設計的結構可以有效的將入射光能量轉換為表面等離子體波能量，并利用刻蝕納米雙孔有序陣列的復合膜SERS基底，產生LSPR和PSPR的有效耦合，從而最大限度的增強SERS信號。

技術領域

本發明涉及一種基于表面等離子體激元效應的SERS基底的設計方法，屬于表面等離子體激元效應和SERS增強的元素光譜分析技術領域。

背景技術

拉曼光譜是印度物理學家C.V. Raman在1928年發現的一種散射光譜，和紅外光譜一樣同屬于分子振動光譜，可以反映分子內部各種簡正振動頻率及有關振動能級的情況,從而可以用來鑒定分子中存在的官能團。拉曼光譜作為一種物質結構的分析測試手段而被廣泛應用。目前, 拉曼光譜已廣泛應用于材料、化工、石油、高分子、生物、環保、地質等領域。但是拉曼散射效應是個非常弱的過程, 一般其光強僅約為入射光強的10^-10倍，所以拉曼信號都很弱,要對表面吸附物進行拉曼光譜研究幾乎都要利用某種增強效應。

1974年，Fleischmann等人對光滑銀電極表面進行粗糙化處理后,首次獲得吸附在銀電極表面上單分子層吡啶分子的高質量的拉曼光譜。隨后VanDuyne及其合作者通過系統的實驗和計算發現吸附在粗糙銀表面上的每個吡啶分子的拉曼散射信號與溶液相中的吡啶的拉曼散射信號相比，增強約6個數量級,指出這是一種與粗糙表面相關的表面增強效應,被稱為表面增強拉曼散射 (SERS) 效應。SERS克服了拉曼光譜靈敏度低的缺點, 可以獲得常規拉曼光譜所不易得到的結構信息, 被廣泛用于表面研究、吸附界面表面狀態研究、生物大小分子的界面取向及構型、構象研究、結構分析等。

SERS效應的靈敏度和基底材料有很大關系。基底材料十分復雜，一般從兩個方面對SERS基底進行理論分析：第一，電磁增強機制（EM），其主要基于金屬納米顆粒的表面等離子體共振（SPR）。第二，化學增強機制（CM），主要以基底與檢測分子之間的電荷轉移為基礎。在SERS增強效應中，電磁增強機制比化學增強機制的貢獻多，且占主導地位，所以圍繞貴金屬納米顆粒的等離子體共振成為了SERS基底研究的關鍵內容。具有強的SERS效應的只有金、銀、銅三種金屬。近來，在鋰、鈉、鎳、鉑、鈀、鎘、汞上也發現有SERS效應，TcO₂、NiO以及高聚物上的SERS效應也有了報道, 但是有些還存在爭議。因此如何獲得一個具有超高靈敏度的SERS基底成為了當下研究的熱點。

發明內容

基于上述的情況，本發明利用SiO₂和Au金屬薄膜，提供了一種基于表面等離子體激元效應的SERS基底的設計方法，極大地提高SERS的檢測靈敏度。

本發明的技術方案如下：

一種基于表面等離子體激元效應的SERS基底的設計方法，包括如下步驟：

（1）采用時域有限差分算法，設置SERS基底的結構，其包括SiO₂基底層，在SiO₂基底層上設置有Au金屬薄膜層，Au金屬薄膜層上方附著一層SiO₂介質層，介質層上方設置有Au頂層金屬以及位于Au頂層金屬上的雙圓孔結構，同時設置該基底的周期性邊界結構；

（2）確定仿真的初始條件，固定SiO₂基底層的厚度，周期性結構的邊界條件，以及雙圓孔結構的半徑；