[发明专利]半导体表面增强拉曼散射的金刚石基底及其制备方法

说明书

本发明的半导体表面增强拉曼散射的金刚石基底及其制备方法，属于拉曼散射信号增强的技术领域。金刚石基底的结构在硅片或金刚石的衬底表面生长有掺杂硼、氮、硫、磷、硫氮或磷氮等的金刚石膜。采用化学气相沉积方法在衬底上沉积掺杂金刚石膜；制得的掺杂金刚石膜还可以进行表面功能化处理，获得表面氢终止或氧终止的掺杂金刚石膜，以提高增强因子。本发明首次以金刚石材料作为一种新的半导体SERS基底，具有高灵敏度、稳定性、可重复性、以及具有良好生物兼容性；增强因子可达到10²‑10⁵，并可用于多种不同的探针分子检测。

技术领域

本发明属于拉曼散射信号增强的技术领域，特别涉及一种半导体表面增强拉曼散射(SERS)的金刚石基底及其制备方法。

背景技术

表面增强拉曼散射(SERS)已成为检测和识别化学和生物化合物的一种重要的灵敏分析技术，检测灵敏度已经达到单分子水平。SERS的产生需要借助具有SERS活性的基底，自从SERS被发现以来，关于新型基底的制备及增强机理的研究一直是人们关注的热点。目前，SERS产生主要包括电磁场激发等离激元共振激发和电荷转移(化学增强机制)两种机制，对于前一种基底，主要使用贵金属(Au、Ag)、过渡金属(Pt、Cu)纳米颗粒等，这些金属纳米颗粒在电磁场的激发下电子会产生集体共振，即局域表面等离子体共振，导致金属颗粒周围的局域电磁场增强，使吸附在金属颗粒表面的探针分子的拉曼散射信号增强，称为电磁场增强SERS。半导体SERS机制即通过半导体材料与探针分子的电荷转移过程，放大了分子的极化率，增强目标分子拉曼散射截面，达到SERS增强效果。已经报道过的半导体SERS基底材料有TiO₂、Fe₂O₃、ZnO、MoO₂、WO₃等氧化物半导体材料：非氧化物半导体材料，如，MoS₂等，还有单元素半导体材料，Si、Ge、等等，而且这些半导体材料多以纳米结构为主。对于复合半导体材料，代表其SERS能力的参数增强因子(EF)可以达到10⁴～10⁵以上，单元素半导体EF较低，小于10²。

和本发明接近的现有技术是公开号为CN 102320550A的发明专利，名称为“锗基半导体的拉曼散射基底及其制备方案”，制备硅纳米线阵列及锗纳米管阵列，修饰上Ge-H键，可以检测出溶液中溶度为10^-6M的罗丹明6G分子。但是，利用锗作为SERS基底的缺点是增强效果低，制备过程繁琐，不利于规模化制备和应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种实现高灵敏度、稳定性、重现性、可回收性和通用性的SERS基底。

本发明的掺杂金刚石半导体SERS基底，掺杂可以是p型掺杂和n型掺杂，p型以硼(B)掺杂为主，n型掺杂包括氮(N)，磷(P)，硫(S)掺杂以及硫氮(S-N)、磷氮(P-N)共掺杂等。通过在掺杂金刚石引入合适的能级，在光激发作用下，这些共振能级与探针分子之间发生电荷转移过程，增强目标分子拉曼散射截面，达到SERS增强效果。

掺杂金刚石膜SERS活性基底的具体技术方案如下。

一种半导体表面增强拉曼散射的金刚石基底，其特征在于，在硅片衬底、钛片衬底或金刚石衬底表面生长有掺杂金刚石膜；所述的掺杂，是在金刚石膜内掺杂硼、氮、硫、磷、硫-氮或磷-氮等元素。

所述的金刚石衬底，可以是单晶或多晶金刚石颗粒，也可以是单晶或多晶金刚石膜。

所述的掺杂金刚石膜，优选表面氢终止、氧终止、氟终止、氯终止或OH终止的硼掺杂金刚石膜。即，半导体掺杂金刚石可以通过表面处理，获得表面氢终止或氧终止的硼掺杂金刚石膜，以提高增强因子。