半導(dǎo)體材料表面增強(qiáng)拉曼散射的分析應(yīng)用

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1、半導(dǎo)體材料的表面增強(qiáng)拉曼散射的分析應(yīng)用紀(jì)偉，趙兵，尾崎幸得益于表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）活性襯底的顯著發(fā)展，SERS技術(shù)日益成為在各個領(lǐng)域的一項重要的分析技術(shù)。半導(dǎo)體材料所固有的理化特性提供了基于SERS的分析技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn)的可能，因此基于半導(dǎo)體的SERS技術(shù)特別有趣。根據(jù)半導(dǎo)體材料的SERS的效應(yīng)，基于半導(dǎo)體的SERS技術(shù)可分為兩個區(qū)域：（1）半導(dǎo)體增強(qiáng)拉曼散射，其中半導(dǎo)體材料直接用作底物用于增強(qiáng)吸附分子的拉曼信號；（2）半導(dǎo)體介導(dǎo)的增強(qiáng)拉曼散射，其中半導(dǎo)體被用作一個“天線”或“陷阱”，用以調(diào)制由金屬基板造成的拉曼增強(qiáng)。然

2、而基于半導(dǎo)體的SERS理論仍然不完整，正在不斷發(fā)展，基于半導(dǎo)體的SERS技術(shù)為生物分析，光催化，太陽能電池，傳感和光電器件等領(lǐng)域帶來了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。這次回顧的目的是概述這一新興研究領(lǐng)域的最新進(jìn)展，并特別強(qiáng)調(diào)了其分析性能和應(yīng)用領(lǐng)域。版權(quán)所有@015年約翰·威利父子有限公司關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體增強(qiáng)拉曼散射;半導(dǎo)體介導(dǎo)增強(qiáng)拉曼散射;基于半導(dǎo)體的SERS技術(shù);半導(dǎo)體材料;金屬/半導(dǎo)體混合動力介紹【1】弗萊希曼在1974年對增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)的開拓性發(fā)現(xiàn)有了大量后續(xù)進(jìn)展。由Jeanmaire，VanDuyne，阿爾布雷希特和克賴頓在1977年以后

3、的活動最終開拓了拉曼光譜的一個令人振興的領(lǐng)域——表面【2,3】增強(qiáng)拉曼散射（SERS）。SERS現(xiàn)在已成為一個非常活躍的研究領(lǐng)域，諸如光學(xué)，光子學(xué)，表面科學(xué)，以及固態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域?！?-6】】]經(jīng)過40年的發(fā)展，由于高靈敏度和特異性分析以及用于非破壞性的實(shí)時分析選項原位，SERS已經(jīng)成為一種廣泛使用的強(qiáng)大技術(shù)?！?-10】作為一種表面光譜技術(shù)，SERS需要使用具有納米級粗糙度的合適底物來實(shí)現(xiàn)拉曼強(qiáng)度的提高。在基于SERS應(yīng)用程序的開發(fā)中，新的SERS活性基底的發(fā)展起著關(guān)鍵作用。通常情況下，因為金屬納米顆?；蚣{米結(jié)構(gòu)能通過表面等離子

4、體導(dǎo)致共振強(qiáng)電磁增強(qiáng)，它們被廣泛地用于實(shí)現(xiàn)大幅度的SERS效應(yīng)?！?1-13】迄今為止，我們已經(jīng)在金屬基板上的控制，以及合成金屬基片的組裝和變形中取得巨大成就?！?4-19】然而，這些進(jìn)步在傳感應(yīng)用不斷增加的需求面前仍然不夠。半導(dǎo)體材料為傳統(tǒng)SERS注入新的活力，由于其獨(dú)特的光學(xué)，化學(xué)，電氣和催化性能，更多具有發(fā)展前景的功能可能會被發(fā)現(xiàn)?！?0-27】至今，各種關(guān)于在半導(dǎo)體基板上的增強(qiáng)拉曼散射效果的研究一直在進(jìn)行。這些新的SERS技術(shù)可分為兩個區(qū)域：（1）半導(dǎo)體增強(qiáng)拉曼散射，其中半導(dǎo)體材料直接用作底物用于增強(qiáng)吸附分子的拉曼信號；

5、（2）半導(dǎo)體介導(dǎo)的增強(qiáng)拉曼散射，其中半導(dǎo)體被用作一個“天線”或“陷阱”，用以調(diào)制由金屬基板（例如金屬/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)）造成的拉曼增強(qiáng)。與傳統(tǒng)的SERS相比，基于半導(dǎo)體的SERS拉曼增強(qiáng)被認(rèn)為是各種共振（包【28】括表面等離子體，電荷轉(zhuǎn)移，分子和激子共振）的組合。]雖然理論仍然不完整，在不斷發(fā)展中，但基于半導(dǎo)體的表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)已被用于開發(fā)一些依賴半導(dǎo)體材料不同理化性質(zhì)的具有前景的應(yīng)用程序（圖1）。這些令人矚目的成就使人們對SERS的內(nèi)在本質(zhì)有了新的認(rèn)識，并為推進(jìn)基于SERS的分析應(yīng)用研究提供真正的機(jī)會。這次審查旨在從前面提到

6、的兩個方面勾勒出半導(dǎo)體材料基于SERS的分析實(shí)驗的最新應(yīng)用。對半導(dǎo)體感興趣的讀者可參考所引用的文章和參考文獻(xiàn)來了解SERS的詳細(xì)機(jī)制。圖1關(guān)于各種基于半導(dǎo)體的表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）的應(yīng)用程序示意圖。半導(dǎo)體增強(qiáng)拉曼散射【29,30】SERS的半導(dǎo)體（金屬氧化物）的表面研究可以追溯到20世紀(jì)80年代。半導(dǎo)體增強(qiáng)拉曼散射的出現(xiàn)對更好地理解SERS現(xiàn)象非常重要。但是，由于在半導(dǎo)體的合成和表征技術(shù)上的限制，人們只在具有相對較弱的增強(qiáng)效果的小型半導(dǎo)體（如NiO，GaP，和TiO【29-32】2）的表面觀察到了這種現(xiàn)象。經(jīng)驗的缺乏使對該

7、理論模型在分析應(yīng)用中的有效性和確定性優(yōu)勢的系統(tǒng)檢查無法實(shí)現(xiàn)。因此在早期階段，半導(dǎo)體增強(qiáng)拉曼散射沒有得到廣泛關(guān)注。近年來，得益于納米科學(xué)技術(shù)的爆炸性發(fā)展，半導(dǎo)體增強(qiáng)拉曼散射有了顯著的發(fā)展。越來越多的半導(dǎo)體材料，如金屬氧化物【33-41】，金屬硫化物【42,43】，金屬碲化物【44】，金屬鹵化物【45,47】，和一些單個元件的半導(dǎo)體【48-51】被證明是SERS活性底物。此外，多種求解麥克斯韋方程組的數(shù)值方法已被開發(fā)并應(yīng)用到研究光與小顆粒的相互作用中，這將有助于理解在實(shí)驗現(xiàn)象中獲得的的理論。許多新發(fā)現(xiàn)的SERS活性半導(dǎo)體擁有前所未見

8、或破紀(jì)錄的增強(qiáng)因子，導(dǎo)致半導(dǎo)體增強(qiáng)拉曼散射的內(nèi)在本質(zhì)再次被討論。然而，我們還是難以比較對材料的制備和性質(zhì)的研究結(jié)果的不同。這種增強(qiáng)因子被認(rèn)為【28】是從半導(dǎo)體增強(qiáng)拉曼散射的各種共振衍生出來的。例如，源于半導(dǎo)體價帶的等離子共振，將提供增強(qiáng)因子為106的拉曼信號，【