一种表面增强拉曼散射芯片及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供一种表面增强拉曼散射芯片及其制备方法与应用，所述表面增强拉曼散射芯片包括衬底和设置于所述衬底表面周期性阵列的介质纳米结构；所述介质纳米结构的侧壁和衬底的上表面设置有金属层；所述衬底的上表面为设置有介质纳米结构的一侧表面。所述制备方法包括以下步骤：(1)在衬底表面制备周期性阵列的介质纳米结构，得到第一芯片；(2)在步骤(1)所得第一芯片的介质纳米结构一侧表面沉积金属层，得到第二芯片；(3)将步骤(2)所得第二芯片中介质纳米结构顶面的金属层去除，保留介质纳米结构侧壁和衬底上表面的金属层，得到表面增强拉曼散射芯片。所述表面增强拉曼散射芯片显著提升了光谱利用率，具有更高的检测灵敏度。具有更高的检测灵敏度。具有更高的检测灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种表面增强拉曼散射芯片及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于纳米材料
，涉及一种拉曼散射芯片，尤其涉及一种表面增强拉曼散射芯片及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]表面增强拉曼散射(SERS)技术由于其低损伤、高灵敏度和指纹识别能力已被广泛应用于环境污染物检测、刑事侦查、宝石矿物和文物鉴别等领域。其中，SERS芯片是这种检测技术的核心信号载体。SERS芯片通常由粗糙金属构成，其原理普遍认为是：在一定波长光的辐照下，待测物质与粗糙金属特别是纳米尺度粗糙度的金属(“热点”)表面发生等离子共振相互作用，从而引起待测物的拉曼散射信号显著增强。因此，SERS技术使微量物质识别和检测成为可能。为满足痕量物质定量快速识别和监测的应用需求，同时具备高灵敏度、均一性、集成度和微型化是SERS芯片未来发展的趋势。其中，灵敏度是SERS芯片首先被关注的性能指标，优化芯片材料和提升“热点”密度是改善SERS芯片灵敏度的常用手段。然而，以上针对平面“热点”的芯片改进方法，一方面受限于SERS芯片的材料种类，另一方面，由于当前制备技术水平的局限，“热点”密度很难无限制提升。
[0003]近期研究发现，将“热点”在三维空间按照一定几何分布规律进行排布会显著提升单位空间高活性“热点”在总“热点”数量中的比重，从而突破材料种类和制备技术水平的限制，是一种提高芯片灵敏度的新方法。从技术手段来看，三维空间“热点”分布的SERS芯片，即三维纳米结构芯片通过微纳加工技术容易实现高效制备，并且与化学制备方法相比，芯片信号均一性得到大幅度提升。另外，与半导体工艺兼容的芯片加工方法无疑将推动SERS芯片的微型化与高集成度。综上所述，这种三维空间“热点”分布的新思路有望获得同时具备高灵敏度、均一性和集成度以及微型化的芯片，与SERS芯片未来发展趋势高度一致。
[0004]基于三维纳米结构，可发展新型材料、结构、制备方法及多功能SERS芯片。一方面，芯片材料体系可从单一金属向多元金属、金属
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半导体和金属
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介质等复杂材料体系扩展；另一方面，利用先进和极端微纳加工制造技术，有望获得“热点”尺寸不断缩减的高灵敏度芯片、多层和多界面甚至垂直“热点”分布的异质异构芯片。这些均为发展高灵敏度、高均一性、微型化和集成化的SERS芯片奠定了理论基础和技术储备。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种表面增强拉曼散射芯片及其制备方法与应用，所述表面增强拉曼散射芯片显著提升了光谱利用率，具有更高的检测灵敏度，在痕量环境污染物、食品安全等领域显示出优异的应用前景，并在医药和公共安全等领域具有可观的应用价值。
[0006]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]第一方面，本专利技术提供一种表面增强拉曼散射芯片，所述表面增强拉曼散射芯片包括衬底和设置于所述衬底表面周期性阵列的介质纳米结构。
[0008]所述介质纳米结构的侧壁和衬底的上表面设置有金属层。
[0009]所述衬底的上表面为设置有介质纳米结构的一侧表面。
[0010]本专利技术中，所述一侧表面具体指代衬底上设置介质纳米结构的同侧表面。
[0011]本专利技术中，所述介质纳米结构的周期性阵列单元之间既可以彼此独立，如周期性阵列的圆柱、方柱、球凸或尖锥等，又可以彼此连接，在此并不做特别限定。
[0012]相较于常规芯片中介质纳米结构的顶面和侧壁以及衬底的上表面均设置有金属层，本专利技术提供的金属
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介质三维纳米结构SERS芯片将介质纳米结构顶面的金属层去除，显著提升了光谱利用率，具有更高的检测灵敏度，在痕量环境污染物、食品安全等领域显示出优异的应用前景，并在医药和公共安全等领域具有可观的应用价值。
[0013]优选地，所述衬底为硬质材料。
[0014]优选地，所述硬质材料包括玻璃、石英、氧化硅、硅或掺杂硅中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括硅与玻璃的组合，硅与石英的组合，硅与氧化硅的组合，硅与掺杂硅的组合，氧化硅与掺杂硅的组合，或硅、氧化硅与掺杂硅的组合。
[0015]优选地，所述介质纳米结构中的介质为透明材料。
[0016]优选地，所述透明材料包括氧化硅、氮化硅、氟化镁、氧化钛、氧化铝或氧化锌中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括氧化硅与氮化硅的组合，氮化硅与氟化镁的组合，氟化镁与氧化钛的组合，氧化钛与氧化铝的组合，或氧化铝与氧化锌的组合。
[0017]优选地，所述介质纳米结构的周期性阵列单元的阵列形状为线形、圆形、三角形、四边形或六边形中的任意一种。
[0018]优选地，所述介质纳米结构的周期性阵列单元特征尺寸为10
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1000nm，例如可以是10nm、50nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm或1000nm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0019]本专利技术中，所述介质纳米结构的周期性阵列单元特征尺寸具体是指介质纳米结构中周期性阵列单元的最小尺寸。
[0020]优选地，所述介质纳米结构的周期性阵列单元高度为50
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1000nm，例如可以是50nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm或1000nm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0021]优选地，所述介质纳米结构的周期性阵列单元间距为20
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1000nm，例如可以是20nm、50nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm或1000nm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0022]本专利技术中，所述介质纳米结构的周期性阵列单元间距具体指代周期性阵列单元等效圆心之间的距离。
[0023]优选地，所述金属层中的金属为具有表面增强拉曼散射活性的金属材料。
[0024]优选地，所述金属材料包括金、铂、钯、银或铜中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括金与铂的组合，铂与钯的组合，钯与银的组合，银与铜的组合，金、铂与钯的组合，铂、钯与银的组合，或钯、银与铜的组合。
[0025]优选地，所述金属层的厚度为5
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500nm，例如可以是5nm、10nm、50nm、100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm或500nm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范
围内其他未列举的数值同样适用。
[0026]第二方面，本专利技术提供一种如第一方面所述表面增强拉曼散射芯片的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0027](1)在衬底表面制备周期性阵列的介质纳米结构，得到第一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表面增强拉曼散射芯片，其特征在于，所述表面增强拉曼散射芯片包括衬底和设置于所述衬底表面周期性阵列的介质纳米结构；所述介质纳米结构的侧壁和衬底的上表面设置有金属层；所述衬底的上表面为设置有介质纳米结构的一侧表面。2.根据权利要求1所述的表面增强拉曼散射芯片，其特征在于，所述衬底为硬质材料；优选地，所述硬质材料包括玻璃、石英、氧化硅、硅或掺杂硅中的任意一种或至少两种的组合。3.根据权利要求1或2所述的表面增强拉曼散射芯片，其特征在于，所述介质纳米结构中的介质为透明材料；优选地，所述透明材料包括氧化硅、氮化硅、氟化镁、氧化钛、氧化铝或氧化锌中的任意一种或至少两种的组合。4.根据权利要求1
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3任一项所述的表面增强拉曼散射芯片，其特征在于，所述介质纳米结构的周期性阵列单元的阵列形状为线形、圆形、三角形、四边形或六边形中的任意一种；优选地，所述介质纳米结构的周期性阵列单元特征尺寸为10
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1000nm；优选地，所述介质纳米结构的周期性阵列单元高度为50
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1000nm；优选地，所述介质纳米结构的周期性阵列单元间距为20
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1000nm。5.根据权利要求1
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4任一项所述的表面增强拉曼散射芯片，其特征在于，所述金属层中的金属为具有表面增强拉曼散射活性的金属材料；优选地，所述金属材料包括金、铂、钯、银或铜中的任意一种或至少两种的组合。6.根据权利要求1
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【专利技术属性】
技术研发人员：陈佩佩，褚卫国，胡海峰，田毅，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：