一种基于电子动态调控的表面增强拉曼的基底制造方法技术

本发明专利技术涉及一种基于电子动态调控的表面增强拉曼(SERS)的基底制造方法，属于拉曼光谱分子检测技术领域。包括以下步骤：(1)在空气中，利用单脉冲飞秒激光在硅基底上制备大面积、一致性的周期性波纹结构；(2)在水溶液中，利用90度偏振的双脉冲飞秒激光进行二次加工，制备出纳米棒阵列结构；(3)利用电子束蒸发法在纳米棒阵列基底上镀一层纳米厚度的金属膜；(4)将镀上金属膜的纳米棒阵列基底放入马沸炉中进行热处理。热处理后，大量均匀的金属纳米颗粒覆盖在纳米棒阵列基底上。对比现有技术，本发明专利技术提供的制造SERS活性基底的方法，具有很好的灵敏度、化学稳定性以及空间均匀性，并且加工成本较低。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电子动态调控的表面增强拉曼的基底制造方法
本专利技术属于拉曼光谱分子检测
，涉及一种表面增强拉曼的基底制造方法，具体涉及一种基于电子动态调控的表面增强拉曼(SERS)的基底制造方法。
技术介绍
1974年，Fleischmann等人研究发现，当吡啶分子靠近粗糙的电极表面时，金属表面等离子体共振产生的局域电场增强可以极大地增强分子所接收到的电场，进而增强远场接收到的拉曼信号，这就是表面增强拉曼散射(surface-enhancedRamanscattering，简称为SERS)。由于SERS技术可以在分子水平上给出有关物质结构的信息，其在生物、化学、环境以及材料科学等领域得到广泛应用。对于SERS机理的解释主要有电磁场增强机理和化学机理，其中电磁场增强对SERS的影响占据了主导地位。电磁场增强是由于表面等离子体共振引起的，而引起表面等离子体共振的原因通常是由于在入射光照射下，金属纳米结构表面的自由电子集体共振受限。表面等离子体共振峰的强度以及位置在很大程度上取决于金属纳米结构的尺寸、形貌以及激发光源的波长。金属纳米结构对于产生高强度的散射信号是至关重要的，因为在相邻的金属纳米颗粒之间会产生“热点”，从而大大增强周围的电磁场。近年来，如何简单、低廉、大面积地制造均匀的SERS基底成为人们研究的热点。而飞秒激光技术的发展，为制造低廉、均匀的SERS基底提供了可能性。例如，姜等人发现利用飞秒激光加工硝酸银溶液，在硝酸银溶液中还原银离子，可以得到较高增强因子的SERS基底。虽然银纳米颗粒的SERS增强因子最强，但是通过飞秒激光还原出来的银纳米颗粒会经历成核、聚集以及生长，从而导致还原出来的银纳米颗粒尺寸不均匀，影响SERS基底的空间均一性；此外，银在空气中化学稳定性不好，很容易被空气氧化，影响SERS基底的化学稳定性，从而大大限制了其广泛应用。因此，现在迫切需要一种制造SERS基底的新方法，其能够低廉、大面积地制造出高灵敏度、空间均一以及化学稳定性好的SERS基底。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于电子动态调控的飞秒激光制备表面增强拉曼基底的方法，该方法能够低廉、大面积地制造出高灵敏度、空间均一以及化学稳定性好的SERS基底，并且重复性较好。为实现上述专利技术目的，本专利技术提供了以下技术方案：一种基于电子动态调控的表面增强拉曼(SERS)基底制造方法，其步骤如下：步骤一：搭建飞秒激光加工系统；步骤二：利用飞秒激光在硅基底上制备大面积、一致性的纳米棒阵列结构；步骤三：利用电子束蒸发镀膜法在经步骤二飞秒激光加工过的纳米棒阵列基底上镀上一层纳米厚度的金属膜；步骤四：将经步骤三镀上金属膜的纳米棒阵列基底进行热处理，使得金属膜转变成金属纳米颗粒。进一步，步骤二所述的利用飞秒激光在硅基底上制备大面积、一致性的纳米棒阵列结构包括如下步骤：(1)将硅片放入超声波清洗器中，用丙酮溶液清洗15分钟后，在空气中晾干；然后把清洗过的硅片固定在载玻片上，将载玻片固定到高精度六自由度平移台上；(2)将飞秒激光加工系统中半波片旋转到0°，利用一个物镜，将线偏振的单脉冲飞秒激光垂直聚焦到待加工物品表面，通过计算机控制系统来控制高精度六自由度平移台，使得待加工物品相对激光运动；在加工过程中，利用高压氮气吹屑，通过控制激光通量、加工速度以及加工间距，加工出大面积均一的表面波纹结构；(3)将加工出的表面波纹结构放入水溶液中，旋转半波片到45°，使得激光相对于单脉冲飞秒激光加工时，偏振方向改变90°；然后利用飞秒激光加工系统中迈克尔逊干涉仪产生的双脉冲飞秒激光进行二次加工，通过控制激光通量、加工速度、加工间距以及双脉冲延迟时间，制备出纳米棒阵列结构。进一步，步骤三所述的金属膜的厚度通过镀膜时间控制，厚度范围为5-20nm。进一步，步骤三所述的金属膜为金膜，厚度为15nm。作为优选，步骤(2)所述单脉冲飞秒激光，激光通量为0.3J/cm2,加工速度为150μm/s,间距为2μm；作为优选，步骤(3)所述双脉冲飞秒激光，激光通量为0.2J/cm2，加工速度为20μm/s,间距为2μm，脉冲延迟为1000fs；作为优选，步骤四所述热处理，热处理的温度为800-1065℃，保温时间为1-2个小时。对于应用此种方法，通过不同加热参数而获得的SERS基底，仍然属于本专利保护范围。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：1.本专利技术的一种基于电子动态调控的表面增强拉曼(SERS)基底制造方法，利用飞秒激光单脉冲加工周期性波纹结构，避免了纳秒激光所带来的热效应，加工出来的周期性波纹结构均匀性较好。2.本专利技术的一种基于电子动态调控的表面增强拉曼(SERS)基底制造方法，利用飞秒激光双脉冲加工周期性纳米棒阵列结构，可以很好地调控电子密度，从而加工出均一的纳米棒阵列结构。3.本专利技术的一种基于电子动态调控的表面增强拉曼(SERS)基底制造方法，利用飞秒激光加工纳米棒阵列结构，相比电子束加工，离子束刻蚀等方法，不需要真空装置，加工成本较低，能够实现大面积的SERS基底制备。4.本专利技术的一种基于电子动态调控的表面增强拉曼(SERS)基底制造方法，在双脉冲飞秒激光加工过的纳米棒阵列结构上镀上一层金膜，然后进行热处理，在纳米棒阵列基底上生成大量的金纳米颗粒，金纳米颗粒本身的表面等离子共振以及金纳米颗粒间的粒子耦合效应，生成大量的“热点”，大大提高了SERS基底的增强因子，并且具有很好的化学稳定性。附图说明图1为本专利技术实施例制备SERS基底的飞秒激光加工系统图；其中，1-飞秒激光器；2-半波片；3-衰减片；4-第一分束镜；5-反射镜；501-第一反射镜；502-第二反射镜；6-光快门；7-双色镜；8-物镜；9-待加工物品；10-六自由度平移台；11-第二分束镜；12-光源；13-电荷耦合元件(CCD)；14-计算机控制系统。图2为本专利技术实施例制备SERS基底的流程图；其中，(a)为单脉冲飞秒激光空气中加工示意图；(b)为单脉冲飞秒激光加工生成的表面波纹结构；(c)为90°偏振的双脉冲飞秒激光水中加工示意图；(d)90°偏振的双脉冲飞秒激光加工的纳米棒阵列结构；(e)纳米棒阵列结构镀金膜示意图；(f)为纳米棒阵列结构镀膜后的基底经过热处理后的示意图。图3为本专利技术实施例加工出的表面波纹结构和纳米棒结构微观示意图；其中，(a)为单脉冲飞秒激光加工的表面波纹结构的扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscopy)图；(b)为双脉冲飞秒激光加工的纳米棒结构的扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscopy)图。图4为不同结构上镀不同厚度金属膜并经热处理后的表面微观示意图；其中，(a)-(d)分别为平面硅上镀5nm,10nm,15nm以及20nm金膜并且热处理后的扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscopy)图；(e)-(h)分别为单脉冲飞秒激光加工的波纹结构上镀5nm,10nm,15nm以及20nm金膜并且热处理后的扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscopy)图；(i)-(l)分别为双脉冲飞秒激光加工的纳米棒阵列结构上镀5nm,10nm,15nm以及20nm金膜并且热处理后的扫描电子显微镜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电子动态调控的表面增强拉曼的基底制造方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：搭建飞秒激光加工系统；步骤二：利用步骤一的飞秒激光加工系统产生的飞秒激光在硅基底上制备大面积、一致性的纳米棒阵列结构；步骤三：利用电子束蒸发镀膜法在经步骤二得到的纳米棒阵列基底上镀上一层纳米厚度的金属膜；步骤四：对经步骤三镀上金属膜的纳米棒阵列基底进行热处理，使得金属膜转变成金属纳米颗粒。

【技术特征摘要】
1.一种基于电子动态调控的表面增强拉曼的基底制造方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：搭建飞秒激光加工系统；步骤二：利用步骤一的飞秒激光加工系统产生的飞秒激光在硅基底上制备大面积、一致性的纳米棒阵列结构；步骤三：利用电子束蒸发镀膜法在经步骤二得到的纳米棒阵列基底上镀上一层纳米厚度的金属膜；步骤四：对经步骤三镀上金属膜的纳米棒阵列基底进行热处理，使得金属膜转变成金属纳米颗粒。2.根据权利要求1所述的一种基于电子动态调控的表面增强拉曼的基底制造方法，其特征在于：步骤二所述利用飞秒激光在硅基底上制备大面积、一致性的纳米棒阵列结构包括如下步骤：(1)将硅片放入超声波清洗器清洗以清除硅片上的杂质，而后取出晾干以获得均一干净的待加工表面，把清洗并晾干的硅片固定在载玻片上，将载玻片固定到高精度六自由度平移台上；(2)将所述飞秒激光加工系统中的半波片旋转到0°，利用一个10倍物镜，将线偏振的单脉冲飞秒激光垂直聚焦到样品表面，通过计算机控制系统来控制高精度六自由度平移台，使得样品相对激光运动；在加工过程中，利用高压氮气吹屑，通过控制激光通量、加工速度以及加工间距，加工出大面积均一的表面波纹结构；(3)将单脉冲飞秒激光加工出的表面波纹结构放入水溶液中，旋转半波片到45°，使得激光相对于单脉冲飞秒激光加工时，偏振方向改变90°；然后利用迈克尔逊干涉仪产生的双脉冲进行二次加工，通过控制激光通量、加工速度、加工间距以及双脉冲延迟时间，制备出纳米棒阵列结构。3.根据权利要求2所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜澜，曹伟，胡洁，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11