石墨烯-有序銀納米孔拉曼增強(qiáng)理論分析和實(shí)驗(yàn)

邢豪健，尹增鶴，張 潔，朱 永

重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044

引 言

自1974年英國(guó)科學(xué)家Fleischmann[1]在粗糙的銀電極表面獲得高質(zhì)量的拉曼光譜，表面增強(qiáng)拉曼散射(surface-enhanced Raman scattering, SERS)作為高靈敏度的分析工具被廣泛應(yīng)用于痕量物質(zhì)檢測(cè)[2-3]。SERS增強(qiáng)主要來(lái)源于金屬納米結(jié)構(gòu)中由等離子共振激發(fā)產(chǎn)生的高度集中的電磁熱點(diǎn)，一般增強(qiáng)因子可達(dá)106～108量級(jí)[4]。然而，由于電磁增強(qiáng)的不均勻性，金屬表面的分子吸附數(shù)量的不確定性，導(dǎo)致目前SERS基底的重復(fù)性比較差。

目前大量研究和技術(shù)致力于提高SERS基底的均勻性。如：納米壓印光刻[5-6]、 模板技術(shù)[7-8]和金屬納米粒子自組裝[9]等。納米光刻壓印是通過(guò)阻蝕劑的物理形變來(lái)實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移的，利用該技術(shù)可制備各種納米級(jí)圖形，如：具有高密度SERS熱點(diǎn)的多孔金屬納米棒陣列[5]，金屬水稻葉片結(jié)構(gòu)和木樁狀結(jié)構(gòu)[6]等；具備高效率、 低成本以及良好的SERS增強(qiáng)效果等優(yōu)點(diǎn)。模板法是指微米或納米尺寸的金屬微納結(jié)構(gòu)在襯底上規(guī)則排列；Zhao等[7]以及Zhan等[8]利用模板技術(shù)分別制備出大規(guī)模、 高密度金屬納米錐陣列和柔性納米結(jié)構(gòu)PDMS膜SERS基底，操作簡(jiǎn)易，且擁有良好的均勻性。金屬納米粒子自組裝包括溶劑蒸發(fā)法、 Langmuir-Blodgett(LB)法和液-液界面自組裝法等；通過(guò)該方法可制備穩(wěn)定、 均一、 高度有序的納米粒子陣列。然而，有些問(wèn)題目前仍無(wú)法解決。首先，同一批次SERS基底樣品在不同時(shí)間，不同基底的增強(qiáng)仍然存在波動(dòng)，導(dǎo)致絕對(duì)拉曼強(qiáng)度的不確定性[10]。其次，每次測(cè)試時(shí)金屬表面吸附分子數(shù)目存在波動(dòng)性。針對(duì)該問(wèn)題，目前主要采用核殼結(jié)構(gòu)法[11]以及金屬結(jié)構(gòu)與石墨烯相結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)[12]基底方法等。Shen等[11]利用核-分子-殼結(jié)構(gòu)解決上述缺點(diǎn)，但其制備非常復(fù)雜，且內(nèi)標(biāo)物選擇受到制備方法的限制。石墨烯由于其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)、 原子層厚度以及光學(xué)特性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[13-14]。Zhu等[15]利用化學(xué)氣相沉積法制備了銅/石墨烯雙納米復(fù)合材料基底，具有較高的靈敏度與穩(wěn)定性。Zhang課題組[16-17]報(bào)道了石墨烯與金屬納米粒子結(jié)合能夠獲得穩(wěn)定的高重現(xiàn)性的SERS基底。但是在均勻性等方面仍然存在一些問(wèn)題。

采用表面等離子體光刻法制備金屬納米孔，再轉(zhuǎn)移石墨烯形成石墨烯-有序銀納米孔復(fù)合結(jié)構(gòu)。主要考察其拉曼增強(qiáng)特性、 均勻性，以及重復(fù)使用特性。上層轉(zhuǎn)移的石墨烯具有三個(gè)功能：首先，GE提供了探測(cè)分子吸附平臺(tái)，由于分子與金屬納米孔分離，便于清洗；其次，它有助于猝滅熒光，可以提供干凈的拉曼信號(hào)；最后，石墨烯覆蓋在銀納米孔表面，可以減緩金屬結(jié)構(gòu)的氧化速度，提高穩(wěn)定性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器設(shè)備

光學(xué)顯微鏡：日本Olympus公司的BXFM型開(kāi)放式光學(xué)顯微鏡。掃描電子顯微鏡(SEM)：日本電子株式會(huì)社(JEOL)的JSM 7800F型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡。拉曼光譜儀：法國(guó)Horiba Jobin Yvon S.A.S公司的LabRAM HR Evolution型顯微共聚焦拉曼光譜儀。

1.2 制備和表征

石墨烯-銀納米孔基底的制備流程可分為四個(gè)步驟：①采用熱蒸鍍法在石英基板上鍍110 nm厚的Ag膜；②使用SPs光刻技術(shù)在Ag膜上制備出間隙為60 nm，周期為300 nm，深度為70 nm的AgNHs陣列；③通過(guò)學(xué)氣相沉積法(chemical vapor-deposition, CVD)在銅箔上生長(zhǎng)大面積石墨烯；④采用濕轉(zhuǎn)移法將GE轉(zhuǎn)移到銀納米孔陣列上?？赏ㄟ^(guò)改變曝光時(shí)間得到不同直徑的AgNHs。如圖1(a)—(c)所示為GE-AgNHs的光學(xué)照片和光學(xué)顯微照片，可清晰分辨銀薄膜、 銀納米孔、 石墨烯的情況。我們實(shí)驗(yàn)所用SERS基底AgNHs直徑在220～280 nm之間，平均直徑為240 nm，如圖1(d)—(f)所示。

圖1 石墨烯-銀納米孔基底(a)—(c)：AgNHs與GE-AgNHs的實(shí)物圖光學(xué)顯微圖；(d)：深70 nm，間隙60 nm基底的SEM圖；(e)：SEM放大圖；(f)：孔徑分布直方圖Fig.1 Graphene-Ag nanohole composite substrate(a)—(c)：Picture of AgNHs and optical microscope images of AgNHs and GE-AgNHs; (d)：SEM image of samples with depth of ～70 nm and gap of ～60 nm；(e)：Enlarged SEM image；(f)：Aperture distribution histogram

2 結(jié)果與討論

為了研究GE-AgNHs基底的拉曼增強(qiáng)機(jī)制，采用3D FDTD仿真模擬了不同孔徑(220～280 nm)基底的電場(chǎng)分布(|E|)，如圖2(a)所示。按照SEM表征結(jié)果，其中Ag膜厚度為110 nm，AgNH的深度和周期分別設(shè)定為70和300 nm。激勵(lì)波長(zhǎng)為532 nm，入射光沿-Z方向傳播，X軸方向偏振，入射電場(chǎng)E0=1 V·m-1。圖2(b)為D=220 nm結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)X-Z(y=0)平面的電場(chǎng)分布，圖2(c)展示了孔徑分別為220，240，260和280 nm結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)X-Y平面的電場(chǎng)分布，并將不同尺寸下的電場(chǎng)強(qiáng)度曲線記錄于圖2(d)?？梢?jiàn)：①電場(chǎng)強(qiáng)度隨孔徑的減小稍有增強(qiáng)，在D=220 nm時(shí)取得最大電場(chǎng)強(qiáng)度Emax≈11 V·m-1，計(jì)算得到增強(qiáng)因子為～1.46×104。②從圖2(c)與(d)來(lái)看，引入單層GE，對(duì)該結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)增強(qiáng)影響極其微弱。后續(xù)實(shí)驗(yàn)我們可以看到，由于體增強(qiáng)效應(yīng)[18]使得分子經(jīng)歷的增強(qiáng)效果要比理論計(jì)算增強(qiáng)因子高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖2 (a) 仿真結(jié)構(gòu)示意圖；(b) X-Z平面(y=0，D=220 nm)處電場(chǎng)分布；(c) X-Y平面電場(chǎng)分布(功率監(jiān)視器處)； (d)對(duì)應(yīng)的沿X軸方向(y=0)的電場(chǎng)強(qiáng)度曲線，AgNH直徑分別為220，240，260和280 nmFig.2 (a) Schematic diagram of the simulation structure; (b) Electric field distribution at the X-Z plane (y=0, D=220 nm); (c) the electric field distribution in the X-Y plane (at the power monitor) and (d) the corresponding electric field strength curve along the X-axis (y=0), where AgNH diameter is 220, 240, 260 and 280 nm, respectively

2.1 基底本身的拉曼實(shí)驗(yàn)

采用拉曼mapping(掃描步進(jìn)和區(qū)域分別設(shè)置為2 μm和14 μm×14 μm，激勵(lì)光波長(zhǎng)為：532 nm)對(duì)圖3(a)紫色區(qū)域進(jìn)行測(cè)試，GE-AgNHs基底本身的拉曼光譜如圖3(d)和(e)所示。GE的G峰(1 580 cm-1)和2D峰(2 690 cm-1)如圖3(b)和(c)所示，拉曼強(qiáng)度比較均勻。掃描區(qū)域內(nèi)的平均拉曼光譜(黑色實(shí)線)和相應(yīng)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)值(紅色虛線)以及硅片上石墨烯的拉曼光譜(藍(lán)色實(shí)線)如圖3(f)所示，石墨烯D，G和2D峰的RSD值分別為18.3%，22.1%和19.8%，具有較好的均勻性，進(jìn)一步說(shuō)明我們樣品制備工藝的可行性。此外，經(jīng)過(guò)AgNHs增強(qiáng)的石墨烯拉曼強(qiáng)度明顯大于硅片上的石墨烯拉曼強(qiáng)度。

圖3 (a)樣品和紫色掃描區(qū)域；石墨烯(b) G峰和(c) 2D峰處的拉曼強(qiáng)度；(d)拉曼掃描光譜；(e)拉曼強(qiáng)度等高線圖；(f)平均拉曼光譜(黑色實(shí)線)和相應(yīng)的RSD值(紅色虛線)以及硅片上石墨烯的拉曼光譜(藍(lán)色實(shí)線)Fig.3 (a) Sample and mapping areas, Raman mapping of GE at the (b) G peak and (c) 2D peak, (d) Raman intensities, (e) Raman contour plots, (f) averaged Raman spectrum over the mapping area (black line), the corresponding RSD values (red line with dots) and Raman spectrum of GE on silicon wafer (blue line)

2.2 CV分子Raman實(shí)驗(yàn)

以結(jié)晶紫(C25H30NCl3)作為探針?lè)肿樱瑢舛葹?0-8～10-4mol·L-1CV分子滴加在GE-AgNHs上，自由干燥后，進(jìn)行Raman測(cè)試。為了對(duì)比，我們將濃度為10-3mol·L-1CV水溶液滴加在覆蓋了GE的SiO2表面，以及CV水溶液本身進(jìn)行了Raman測(cè)試。如圖4所示，在804，916和1 178 cm-1處可以明顯的看出CV分子的拉曼峰。

我們選取較明顯且不受其他拉曼峰干擾的～1 178 cm-1模式進(jìn)行定量分析。其峰值強(qiáng)度和相應(yīng)的參數(shù)k(k為CV分子在1 178 cm-1處的拉曼峰值強(qiáng)度比上GE的2D峰的拉曼峰值強(qiáng)度，即k=I@1 178/I@2D)與分子濃度如圖4(b)和(c)所示。對(duì)10-8～10-4mol·L-1范圍內(nèi)拉曼峰強(qiáng)進(jìn)行擬合，可見(jiàn)拉曼峰強(qiáng)度與濃度成指數(shù)關(guān)系，擬合函數(shù)為y=27 979exp(1.179x)，擬合度R2=99.3%。同樣，相對(duì)強(qiáng)度k隨著濃度的增加而增加，10-8～10-4mol·L-1范圍內(nèi)指數(shù)擬合函數(shù)為y=163.740exp(1.008x)，R2=97.7%。若忽略高濃度(10-4mol·L-1)的數(shù)據(jù)，k和CV濃度之間呈現(xiàn)良好線性關(guān)系，線性擬合度達(dá)96.8%。由此可見(jiàn)，在較高濃度下定量分析效果不佳，這是由兩個(gè)原因?qū)е拢阂皇怯捎诜肿右呀?jīng)達(dá)到過(guò)飽和吸附；二是分子層越厚，越遠(yuǎn)離GE層，CV分子與GE受到的平均增強(qiáng)差距越大。

圖4 (a) GE-AgNHs基底上10-8～10-4 mol·L-1范圍內(nèi)SERS光譜和10-3 mol·L-1 CV溶液及其在GE/SiO2基底上拉曼光譜，(b) 1 177 cm-1處拉曼強(qiáng)度，(c) 歸一化強(qiáng)度k隨著CV濃度的變化Fig.4 (a) SERS spectra of CV with concentration in the range of 10-8 to 10-4 mol·L-1 on GE-AgNHs substrates and the Raman spectrum of 10-3 M CV solution and the Raman spectrum of 10-3 mol·L-1 CV on GE/SiO2；(b) The Raman intensity and (c) normalized intensity k changes with CV concentration at 1 177 cm-1

2.3 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

基底的重復(fù)利用性是評(píng)價(jià)SERS基底一個(gè)重要因素，利用Ansar等[19]介紹的硼氫化鈉(NaBH4)對(duì)SERS基底表面分子解吸附作用，設(shè)計(jì)了如圖5所示的實(shí)驗(yàn)方案。①配制0.01 mol·L-1的NaBH4水溶液；②將吸附了探針?lè)肿拥幕字糜谠撊芤褐? min，以解吸附探針?lè)肿樱虎蹖⒒字糜谌ルx子水中，以便去除殘余的NaBH4和探針?lè)肿樱虎軐⒒兹〕隽栏珊蠹纯芍貜?fù)使用。從光學(xué)顯微鏡插圖中可以看見(jiàn)基底明顯被清洗干凈。

圖5 基底表面吸附分子的清洗Fig.5 Cleaning of adsorbed molecules on the surface of the substrate

為探究基底清洗前后性能的差異，采用清洗前后的同一基底分別對(duì)10-12mol·L-1的R6G溶液進(jìn)行拉曼測(cè)試，如圖6所示。圖6(a)為清洗前基底本身拉曼光譜(黑色)與R6G的測(cè)試結(jié)果(紅色)，可以看出清洗前，GE上存在少量雜質(zhì)，導(dǎo)致基底本身光譜信號(hào)不干凈。在采用上述方法清洗后，如圖6(b)所示，得到GE信號(hào)，GE的特征峰清晰可見(jiàn)；R6G的拉曼信號(hào)仍然清晰可見(jiàn)。但是與清洗前相比，R6G的SERS信號(hào)有所減小，以613和773 cm-1為例，拉曼強(qiáng)度分別維持45%和50%。初步說(shuō)明：清洗的過(guò)程減弱了R6G分子在基底表面的吸附方式/吸附能力/鍵鍵結(jié)合力，影響了石墨烯的電子摻雜，從而導(dǎo)致SERS信號(hào)的降低。

圖6 (a)原始基底上的GE和R6G(10-12 mol·L-1)拉曼信號(hào)，(b)清洗后的拉曼信號(hào)黑色曲線為基底本身拉曼光譜；紅色曲線為R6G (10-12 mol·L-1)的SERS信號(hào)Fig.6 Raman signal of sample itself and R6G (10-12 mol·L-1) (a) on the original substrate, (b) after cleaning The black and red curves are the Raman spectra of sample itself and R6G(10-12 mol·L-1), respectively

3 結(jié) 論

研究了一種可重復(fù)使用的石墨烯-有序銀納米孔基底，進(jìn)行了理論數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)，表明：對(duì)SERS活性強(qiáng)的R6G分子可以達(dá)到10-12mol·L-1的檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)可重復(fù)測(cè)量；對(duì)CV分子實(shí)現(xiàn)10-8mol·L-1的檢測(cè)；基底本身的均勻性較好，RSD值約為20%。接下來(lái)的工作將包括：①金屬納米孔尺寸的優(yōu)化，以達(dá)到更高的靈敏度；②石墨烯轉(zhuǎn)移工藝的優(yōu)化，進(jìn)一步提高基底的均勻性和壽命。

致謝：感謝重慶大學(xué)分析測(cè)試中心公祥南老師在拉曼測(cè)試方面的幫助，感謝中國(guó)科學(xué)院光學(xué)與電子學(xué)研究所微細(xì)加工光學(xué)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的龔天誠(chéng)、 羅云飛在金屬納米孔制備方面提供的幫助。