[发明专利]一种基于2D贵金属纳米结构的SERS基底的制备方法

说明书

本发明提供了一种基于2D贵金属纳米结构的SERS基底的制备方法，属于纳米加工技术领域。具体为：先在基底表面自组装一层聚合物微球阵列，经氧等离子刻蚀，使表面光滑的聚合物微球阵列变为毛绒状聚合物微球阵列，并以此结构为模板在其表面沉积贵金属，刻蚀掉模板后得到SERS基底。所述SERS基底表面铺有具有针状凸起结构的贵金属层，针状凸起结构间的间隙小于20nm，纳米结构排列致密、分布均匀、周期性好，利于获得连续且均匀的增强电磁场，显著提高了SERS器件的探测灵敏度，具有优异的可重复性和稳定性。此外，本发明提供的制备方法还可实现高效加工和大规模生产，降低生产成本。

技术领域

本发明属于纳米加工技术领域，具体涉及一种基于2D贵金属纳米结构的SERS基底的制备方法。

背景技术

表面增强拉曼散射(SERS)是等离子物理学最令人印象深刻的应用之一，对于理解各种基本界面过程和相互作用机制至关重要。SERS通过多样化的金属纳米间隙(所谓的热点)将局部电磁(EM)能量增强到6个甚至更高的数量级，极大地增强分子间以及分子与金属间的相互作用，从而实现单分子探测和识别，并以亚纳米级的精度收集丰富的振动信息。常用的SERS基底有金纳米粒子(AuNPs)阵列、银纳米粒子(AgNPs)阵列等，虽然在这些基底上可以很容易地制备出10纳米以下间隙作为增强单元，但其SERS信号的可重复性和稳定性较差，严重阻碍了超灵敏SERS的应用。此外，这种传统增强单元(零维热点)的尺寸和体积太小，不适合实际应用。

为避免上述传统SERS基底固有的可重复性和稳定性差的问题，人们成功制备出了许多新型人工SERS基底，采用了多样化的纳米加工技术获得纳米间隙，如电子束光刻技术(EBL)、聚焦离子束(FIB)光刻、蘸笔光刻(DPN)、激光干涉光刻技术(LIL)、纳米压印光刻、基于阳极氧化铝(AAO)模板的加工技术等。然而，这些方法大都需要昂贵的设备和复杂的工艺，甚至只能加工极小面积的样品，极大限制了SERS衬底的实用性和适应性。

胶体自组装技术是一种灵活、廉价、高通量的大规模纳米加工技术，但基于该技术制备的SERS基底的性能依然无法令人满意。这主要是由于SERS基底的大部分区域被胶体粒子占据，这些亚微米尺度的胶体粒子无法形成有效的增强电磁场，不能实现被吸附目标分子的拉曼信号增强，只有胶体粒子之间的间隙(通常为亚100纳米)才能形成极强的热点。对于浓度极低的目标分子而言，很难均匀分布在这些稀疏且分布不均匀的热点上，而实际的SERS检测需要点对点和批对批的可重复性。而且仅凭胶体自组装技术很难在胶体粒子表面制备出紧密排列的亚20纳米间隙的等离子体纳米结构阵列。因此，目前迫切需要开发一种连续强电磁场覆盖的有序、具有亚20纳米间隙增强单元的SERS基底，实现可重复、超灵敏的分子探测。

发明内容

本发明针对上述问题，提供了一种基于2D贵金属纳米结构的SERS基底的制备方法，该SERS基底的表面铺有具有针状凸起结构的贵金属层，针状凸起结构间的间隙小于20nm，纳米结构排列致密、分布均匀、周期性好，在紫外和可见光波段可以获得连续且均匀的增强电磁场。

一种基于2D贵金属纳米结构的SERS基底的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对基底进行清洗和亲水处理；

S2、利用胶体自组装方法在基底表面形成一层聚合物微球阵列；

S3、对聚合物微球阵列进行氧等离子刻蚀15～30min，使表面光滑的聚合物微球阵列变为毛绒状聚合物微球阵列；其中，毛绒间隙不超过30nm，刻蚀气体为纯氧气，流速为20～40sccm，功率为20～50W；

S4、在毛绒状聚合物微球阵列表面沉积一层贵金属；

S5、采用湿法刻蚀工艺去除贵金属层与基底之间的毛绒状聚合物微球阵列，得到基于2D贵金属纳米结构的SERS基底。

上述基于2D贵金属纳米结构的SERS基底的制备方法的具体步骤如下：