010-82930964 
编号：NMJS09546
篇名：基于硅纳米柱阵列尺寸调控的表面增强拉曼效应研究
作者：黄胜保
关键词： SERS; 聚苯乙烯微球; 等离子刻蚀; 纳米柱阵列; FDTD;
机构： 内蒙古科技大学
摘要： 表面增强拉曼散射（Surface-enhanced Raman Scattering,SERS）凭借其单分子级检测灵敏度和独特的分子指纹识别能力,已成为生物传感、环境监测及痕量分析领域的关键技术。然而,传统SERS基底依赖贵金属纳米结构,其制备过程涉及复杂光刻或真空镀膜工艺,存在成本高、结构单一化等问题,且基底性能与纳米结构尺寸（如直径、高度、周期）的构效关系尚未系统揭示,制约了SERS技术的应用。针对上述问题,本研究提出一种基于聚苯乙烯（Polystyrene,PS）微球自组装掩膜的低成本可控制备策略,通过调控微球直径和金属辅助化学刻蚀（MACE）工艺参数,实现了硅纳米柱阵列的尺寸调控,成功构筑系列高度有序的SERS基底。在此基础上利用时域有限差分（FDTD）法仿真,揭示了纳米柱阵列尺寸对电磁场增强的影响规律。 选取不同直径的PS微球,基于气-液界面法制备了大面积紧密排列的PS微球自组装单层膜,并平稳的转移到硅基底上。通过电感耦合等离子刻蚀（Inductively Coupled Plasma,ICP）法缩减PS微球,其中气体成分直接决定刻蚀机理,经正交分析,得出各参数对表面质量的影响程度（射频功率>气体压强>气体流量）,最终选取参数:刻蚀功率为200-100 W,气体压强为3.0 Pa,气体流量为O2:CF4=40:10sccm时,对PS微球表面质量的刻蚀效果达到最佳。实验结果表明,PS微球直径缩减与刻蚀时间增加呈线性变化,由此可以调控刻蚀时间对PS微球掩膜的尺寸实现精确控制。 基于PS微球自组装掩膜,通过磁控溅射物理气相沉积（PVD）技术在40 W功率下,以3.96 nm/s的溅射速率精确沉积Ag层,经去胶剥离后形成周期性Ag纳米孔阵列模板。结合MACE工艺,成功制备出大面积、高有序性的硅纳米柱阵列,通过选取不同直径的PS微球做掩膜,可以得到不同周期（10μm、5μm、1μm、500nm）的硅纳米柱阵列基底。经拉曼光谱分析表明,不同尺寸、周期的纳米柱阵列基底均对521 cm-1处的特征峰有增强效果,并随着纳米柱尺寸的缩减或周期的减小,对拉曼增强效应呈上升趋势。本实验中在直径为500 nm的PS微球制备出的基底增强效果达到最高,其结果相较于纯硅,效果增强将近20倍。 基于FDTD建立了三维电磁场仿真模型,研究硅纳米柱阵列的几何参数（直径D随着周期调节变化、高度H=100～10000 nm、周期P=500～5000 nm）对局域电场强度及热点区域分布的调控规律。仿真结果表明:在固定1000 nm的周期内,随着纳米柱直径从900 nm缩至200 nm,电场强度由1.96提升至5.56,热点区域面积占比从11.76%增至43.74%;而高度变化（500～10000 nm）对电场强度（相对标准偏差仅为10.67%）与热点面积（50%～60%间波动）影响可忽略,验证了二维平面内电磁场局域增强的主导机制;随着周期尺寸的缩减,导致电场强度与热点面积同步增大,且二者呈强正相关性,其物理机制源于周期性阵列的布拉格散射与近场耦合协同调控。实验测试中硅纳米柱阵列基底的SERS信号强度与仿真趋势一致,验证了该模型对纳米结构-电磁场协同作用规律预测的可靠性。为高灵敏SERS基底的设计提供了几何参数优化准则与理论支撑。
