单晶石墨烯/二维碲化亚铜异质结SERS衬底及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种单晶石墨烯/二维碲化亚铜异质结SERS衬底及其制备方法，包括如下步骤：利用直流磁控溅射法在蓝宝石（0001）衬底上制备铜（111）薄膜；将制备的铜(111)薄膜用信封的方式进行包覆，利用化学气相沉积法制备得到单晶石墨烯/铜(111)薄膜；将制备的单晶石墨烯/铜(111)衬底放置于氯化铁溶液中进行刻蚀，使单晶石墨烯/铜(111)衬底粗糙化；将刻蚀后的单晶石墨烯/铜(111)衬底、碲源和分子筛分别置于高温管式炉的不同温区，将管式炉升温使挥发至衬底表面的碲源与石墨烯下面的铜(111)反应生长得到单晶石墨烯/二维碲化亚铜异质结。本发明专利技术制备方法可批量化、且无需转移，异质结SERS衬底显著增强被检测探针分子的信号并具有很高的重现性。有很高的重现性。有很高的重现性。

【技术实现步骤摘要】
单晶石墨烯/二维碲化亚铜异质结SERS衬底及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及二维纳米材料制备及表面增强拉曼光谱（SERS）检测
，具体涉及一种单晶石墨烯/二维碲化亚铜异质结SERS衬底及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着石墨烯的研究风靡全球，石墨烯/二维材料异质结的探索逐渐成为近年来物理和材料科学领域研究的热点。就材料制备而言，以往方法通常是利用微机械剥离与转移技术将石墨烯和二维材料堆叠成异质结构。然而，这些技术对于低成本大规模生产异质结材料而言并不现实。化学气相沉积法是单晶石墨烯、二硫化钼等二维材料的规模化生长方法，然而，由于二硫化钼等二维材料与石墨烯生长条件的兼容性较差，直接生长单晶石墨烯/二维材料异质结成为该领域的挑战。因此，我们提出了一种无需转移而实现大规模、高质量的单晶石墨烯/二维碲化亚铜异质结构的制备方法。
[0003]表面增强拉曼光谱（SERS）是一类原位快速且无损检测的光谱技术，它能够提供物质的指纹结构信息，具有极高的表面检测灵敏度和准确度，可实现单分子级别的检测。在生物医学、痕量分析、食品安全等领域有广阔的应用前景。贵金属如金、银、铜等纳米粒子，由于其优良的性能，高的增强因子被广泛用于表面增强拉曼光谱领域。而其稳定性、重复性难以保证，制备成本高等问题抑制其发展。二维半导体材料由于其可控的价带、原子级的平坦性、优异的光电性能，成为表面增强拉曼（SERS）领域研究的热门材料。石墨烯是一种具有原子层厚度的二维碳纳米材料，具有大的比表面积和优越的分子吸附能力，可改善并提高探针分子的拉曼信号。碲化铜的纳米晶体显示出与局域表面等离子体共振相关的强近红外光学吸收，利用这种等离子体激元共振设计了用于非常规光学探针的表面增强拉曼散射传感器。

技术实现思路

[0004]针对二维异质结制备及其SERS应用领域存在的上述问题，本专利技术提供一种无需转移而实现大规模、高质量的单晶石墨烯/二维碲化亚铜异质结构的制备方法，并展示其在SERS领域的应用。
[0005]实现本专利技术的技术方案是：一种单晶石墨烯/二维碲化亚铜异质结SERS衬底及其制备方法，步骤如下：（1）利用直流磁控溅射法在蓝宝石(0001)衬底上制备铜(111)薄膜。
[0006]（2）在步骤（1）得到的铜(111)薄膜上用信封式包覆后利用化学气相沉积法制备单晶石墨烯。
[0007]（3）将（2）中制备的单晶石墨烯/铜(111)衬底放在0.5mol/L的氯化铁溶液中进行刻蚀，可使制备的单晶石墨烯/铜(111)衬底粗糙化。
[0008]（4）将（3）中刻蚀后的单晶石墨烯/铜(111)衬底、碲源和分子筛分别放置于高温管
式炉不同温区中，在一定压力和载气条件下，将不同温区管式炉升温至不同温度，并保温一定时间，使挥发至衬底表面的碲源与石墨烯下面的铜(111)薄膜反应生长得到单晶石墨烯/二维碲化亚铜异质结。
[0009]进一步，所述步骤（1）中直流磁控溅射法沉积铜（111）薄膜，溅射时间为28
‑
40分钟，溅射温度为150
‑
200
°
C，溅射压强为0.4
‑
1.2Pa，气体流量为20sccm，溅射功率为100W，溅射铜（111）薄膜厚度为500nm
‑
1500nm。
[0010]进一步，所述步骤（2）中压力为低压18
‑
200Pa，载气为惰性气体或氮气，载气流速为10
‑
1000sccm，升温至980
‑
1030
°
C，升温时间为10
‑
55min，保温时间为20
‑
50min，后通入0.5
‑
5sccm甲烷并保温20
‑
60min。
[0011]进一步，所述步骤（3）中刻蚀后得到衬底的粗糙度为2
‑
80nm。
[0012]进一步，所述步骤（4）中碲源和分子筛放在第一温区，单晶石墨烯/铜(111)衬底放在第三温区，中间用隔热板进行隔温，以形成两温区间的温度差。
[0013]进一步，所述步骤（4）中碲源和分子筛所在第一温区升温至450
‑
600
°
C并保持，单晶石墨烯/铜(111)衬底所在第三温区升温至150
‑
300
°
C并保持。压力为低压或常压，载气为惰性气体或氮气，载气流速为10sccm
‑
1000sccm，碲源量为50
‑
4000mg，分子筛量为30
‑
2000mg，升温时间为10
‑
30min，保温时间为20min
‑
4h。所述低压为12
‑
100Pa，载气流速为10
‑
500sccm.本专利技术所述的单晶石墨烯/二维碲化亚铜异质结SERS衬底在SERS中的应用：将单晶石墨烯/二维碲化亚铜异质结SERS衬底用探针分子进行检测，可得到信号增强的探针分子的信号，检测限可达10
11
。
[0014]进一步，所述探针分子为尼罗红或亚甲基蓝。
[0015]本专利技术的有益效果是：本专利技术创造性的运用化学气相沉积法原位生长二维异质界面，制备的异质界面干净，避免了传统的石墨烯转移过程给样品造成缺陷的影响、污染物对表面增强拉曼的增强效果的影响。制备过程简单新颖，在碲化亚铜上面覆盖一层单晶石墨烯可有效的防止碲化亚铜的氧化，可得到较强的SERS效应。同时通过对磁控溅射铜薄膜的厚度控制可得到不同厚度的单晶石墨烯/二维碲化亚铜所异质结。由光学显微镜、拉曼光谱、扫描电子显微镜、原子力显微镜等分析手段确定样品是高质量、大面积的单晶石墨烯/二维碲化亚铜异质结SERS衬底材料。
[0016]石墨烯作为一种半金属材料，被广泛用于SERS衬底，与碲化亚铜结合制备SERS衬底可实现较高的SERS活性，且重现性好，可与贵金属SERS衬底相媲美，有望在食品卫生、环境检测、国防安全和医疗诊断等领域广泛应用。
附图说明
[0017]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地说明。当然，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0018]图1为本专利技术实施例1制得的单晶石墨烯/二维碲化亚铜异质结的生长示意图。
[0019]图2为本专利技术实施例1在低压下制备的单晶石墨烯/二维碲化亚铜异质结的典型光
学照片，可以看到分布均匀的六边形样品。
[0020]图3为本专利技术实施例1通过低压制备样品的扫描电子显微镜测试结果：a、实例1条件下制备得到的样品，单晶石墨烯/二维碲化亚铜异质结覆盖整个衬底；b、同样条件下石墨烯生长时间为15min制备得到的样品，可以看到正六边形形状本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单晶石墨烯/二维碲化亚铜异质结SERS衬底的制备方法，其特征在于，步骤如下：（1）利用直流磁控溅射法在蓝宝石(0001)衬底上制备铜(111)薄膜；（2）在步骤（1）得到的铜(111)薄膜上用信封式包覆后利用化学气相沉积法制备单晶石墨烯；（3）将（2）中制备的单晶石墨烯/铜(111)衬底放在0.5mol/L的氯化铁溶液中进行刻蚀，使制备的单晶石墨烯/铜(111)衬底粗糙化；（4）将（3）中刻蚀后的单晶石墨烯/铜(111)衬底、碲源和分子筛分别放置于高温管式炉不同温区中，在一定压力和载气条件下，将不同温区管式炉升温至不同温度，并保温一定时间，使挥发至衬底表面的碲源与石墨烯下面的铜(111)薄膜反应生长得到单晶石墨烯/二维碲化亚铜异质结SERS衬底。2.根据权利要求1所述的单晶石墨烯/二维碲化亚铜异质结SERS衬底的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中直流磁控溅射法沉积铜（111）薄膜，溅射时间为28
‑
40min，溅射温度为150
‑
200
°
C，溅射压强为0.4
‑
1.2Pa，气体流量为20sccm，溅射功率为100W，溅射铜（111）薄膜厚度为500nm
‑
1500nm。3.根据权利要求1所述的单晶石墨烯/二维碲化亚铜异质结SERS衬底的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）在铜(111)薄膜上制备单晶石墨烯的具体操作如下：将（1）中制备的蓝宝石(0001)衬底上的铜(111)薄膜水平放置于高温管式炉中，在压力为18
‑
200Pa，载气流速为10
‑
1000sccm的条件下，升温至980
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1030
°
C，升温时间为10
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55min，保温时间为20
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50min，后通入0.5
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5sccm甲烷并保温20
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60min。4.根据权利要求1所述的单晶石墨烯/二维碲化亚铜异质结SERS衬底的制备方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈珂，王红芹，黄明举，常凯莉，
申请(专利权)人：河南大学，
类型：发明
国别省市：