一种基于台阶结构表面增强拉曼散射基底的制备方法

本发明涉及材料制备的，特别涉及一种基于台阶结构表面增强拉曼散射基底材料的制备方法。

背景技术：

1、拉曼散射光的频率变化与样品中分子的振动模式有关，通过分析拉曼光谱，可以获得样品中分子的结构和组成信息。表面增强拉曼散射（surface-enhanced ramanscattering，sers）是一种强大的光谱技术，通过在具有特殊表面结构的纳米材料上引起的电磁场增强效应，显著提高了拉曼散射信号的灵敏度。这一技术的发展受益于光学、纳米科学和分析化学等多个领域的深入研究。sers的基本原理可以追溯到1974年，由van duyne等人首次报告。该技术的关键在于纳米结构表面的电磁场增强效应。当分子吸附在这些表面上时，局部电场的增强使得拉曼散射截面显著增加，从而提高了信号强度。这种电磁场增强效应主要来自于表面等离子共振激发和局部电荷效应。

2、从基底材料角度，最初表面拉曼散射增强的基底材料主要集中在金、银、铜等货币金属，因为该类型材料在可见光区有很强的局域电场增强，而成为了高sers活性材料。但是，货币金属基底材料金、银等由于不能对目标分子进行选择性识别, 且存在成本高、易氧化、光谱稳定性差、重复性差等问题,大大限制了sers技术在实际应用中的发展。随着研究的深入，研究人员逐渐从货币金属基底向过渡族金属基底拓展，发现了使用fe、co、ni 作为新型金属的sers活性基底，丰富了材料的选择性。随后，又有au/ag核壳、au-fe合金等复合结构作为sers活性基底的报道，这使得sers活性基底并不局限于一个种类的金属。随着研究的深入，近年来研究人员利用一些非贵金属纳米材料, 例如石墨烯、半导体材料、过渡金属等, 制备了新型的sers基底。非贵金属材料基底具有成本低、稳定、生物相容性以及对分子的选择性增强等特性, 并且其理化性能如激子玻尔半径、能带结构、电子密度等容易调控, 使其成为理想的sers基底材料。非贵金属基底的研究与发展大大拓展了sers技术的应用范围。目前非贵金属sers基底的增强效应普遍不高,主要通过增加材料表面缺陷等方法来获得较高的增强因子,这样会使材料的稳定性变差, 难以开展应用。

3、从加工、制备角度，为了获得性能优异的sers基底，有很多微纳加工技术被应用来制备sers基底。如早期的电化学粗糙法制备sers基底，具有一定可控性且工艺简单。之后，通过化学合成法制备出严格可控颗粒大小、形状的金属溶胶纳米粒子，再到通过模板法、自组装技术（厦门大学田中群院士课题组独创shiners技术，该技术借助于au、ag、cu纳米颗粒的长程电磁场特点，实现待测物的非接触检测，主要包括基于au、ag、cu纳米颗粒设计的一系列超薄无针孔的惰性壳层隔绝纳米颗粒，可在任意固体表面使用）制备大面积均匀的表面纳米结构。这些纳米结构不仅能够提供高表面积，还能够支持表面等离子共振，形成强大的电磁场增强效应。另外，随着近年来微纳结构加工技术水平的发展，科研人员逐渐引入的能量束（激光束、离子束及电子束）刻蚀技术，对基底多样性和可控性有显著提高，包括亚波长光栅结构，但是由于纳米材料及微结构基底材料在制备过程中存在工艺复杂，样品很难大规模生产，成本高，可控性差等问题，难于产业化推广应用。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种基于台阶结构表面增强拉曼散射基底材料的制备方法，该方法操作简单，制备工艺流程绿色环保，制备周期短，成本低，可大面积生产等优点。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种基于台阶结构表面增强拉曼散射基底材料的制备方法，包括：

2、s1、通过理论仿真，获得一种具有表面增强拉曼散射台阶结构复合金属膜的电磁场强度分布，并确定所述复合金属膜的结构参数；

3、s2、根据步骤s1中电磁场强度分布结果，在真空条件下，通过磁控溅射沉积技术在基片表面制备厚度为10-100nm的金属钛薄膜；

4、s3、将金属钛薄膜部分面积进行遮挡，通过物理气相沉积技术在未遮挡的金属钛薄膜上沉积与金属钛薄膜相同厚度的金属钨薄膜；

5、s4、金属钛薄膜与金属钨薄膜之间形成台阶结构，由此在基片上形成钛-钨异质金属台阶结构。

6、优选的，基片在镀膜前，依次经过超声清洗和干燥处理。

7、优选的，超声清洗包括依次经丙酮、酒精和去离子水的超声清洗。

8、优选的，丙酮、酒精和去离子水超声清洗，每次清洗时间为15min。

9、优选的，基片的材料为石英、玻璃、晶体或塑料。

10、优选的，步骤s2中真空条件为5×10-4pa的环境条件。

11、优选的，金属钛薄膜与金属钨薄膜的厚度均为10-100nm。

12、本发明与现有技术相比，其有益效果是：本发明在材料方面选择价格低廉、化学稳定性好的非贵金属，在制备方法采用环境友好、易操作的物理气相沉积技术，先后沉积两种不同的非贵金属薄膜，形成具有台阶结构的异质复合薄膜作为sers基底。该基底材料适合大面积生产，具有材料成本低，稳定好，加工工艺重复性及可控性佳的优点。而且通过理论仿真获得高台阶处的异质金属电磁场强度分布，进一步验证了该材料具有表面增强拉曼散射性能。

技术特征：

1.一种基于台阶结构表面增强拉曼散射基底材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种基于台阶结构表面增强拉曼散射基底材料的制备方法，其特征在于，基片在镀膜前，依次经过超声清洗和干燥处理。

3.如权利要求2所述的一种基于台阶结构表面增强拉曼散射基底材料的制备方法，其特征在于，超声清洗包括依次经丙酮、酒精和去离子水的超声清洗。

4.如权利要求3所述的一种基于台阶结构表面增强拉曼散射基底材料的制备方法，其特征在于，丙酮、酒精和去离子水超声清洗，每次清洗时间为15min。

5.如权利要求4所述的一种基于台阶结构表面增强拉曼散射基底材料的制备方法，其特征在于，基片的材料为石英、玻璃、晶体或塑料。

6.如权利要求1所述的一种基于台阶结构表面增强拉曼散射基底材料的制备方法，其特征在于，步骤s2中真空条件为5×10-4pa的环境条件。

技术总结
本发明公开了一种基于台阶结构表面增强拉曼散射基底材料的制备方法，包括以下步骤：S1、通过理论仿真，获得一种具有表面增强拉曼散射台阶结构复合金属薄膜的电磁场强度分布，并确定所述复合金属薄膜的结构参数；S2、根据步骤S1中电磁场强度分布结果，在真空条件下，通过磁控溅射沉积技术在基片表面制备厚度为10‑100nm的金属钛薄膜；S3、将金属钛薄膜部分面积进行遮挡，通过物理气相沉积技术在未遮挡的金属钛薄膜上沉积与金属钛薄膜相同厚度的金属钨薄膜；S4、金属钛薄膜与金属钨薄膜之间形成台阶结构，由此在基片上形成钛‑钨异质金属台阶结构。根据本发明，该方法操作简单，制备工艺流程绿色环保，制备周期短，成本低，可大面积生产等优点。

技术研发人员：卢鹏,陶春先,吴路平,张大伟
受保护的技术使用者：上海理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/7/9