研究目的
开发一种简便方法,用于制备具有更高简易性、稳定性、灵敏度和低成本的三维多孔硅/金结构,以实现表面增强拉曼散射(SERS)。
研究成果
通过激光加工和去合金化制备的3D多孔Si/Au架构展现出高灵敏度表面增强拉曼散射性能(罗丹明6G检测限低至10^-15 M)、巨大增强因子(10^11至10^12)以及优异的重现性(相对标准偏差6.2%)。该平台具有成本效益高、可靠性强的特点,适用于表面增强拉曼散射应用,并有望拓展至能量存储和催化领域。
研究不足
该制造工艺可能对激光参数和去合金化条件较为敏感,若控制不当可能影响重现性。模拟仅考虑了局部金球阵列,忽略了金涂层侧壁的贡献,可能导致增强效果被低估。该方法的可扩展性及其在其他材料或分析物中的应用尚未深入探究。
1:实验设计与方法选择:
该方法通过激光重熔Al-Si铸造合金形成枝晶微观结构,随后进行去合金化去除Al以形成三维多孔Si基底,最后采用溅射镀膜法制备Au薄膜构建SERS平台。其原理是利用激光诱导快速凝固和去合金化形成分级孔隙结构,通过电磁场增强效应提升SERS活性。
2:样品选择与数据来源:
以Al-20Si(20 wt.% Si)铸造合金板(10 cm×5 cm×1 cm)为前驱体。使用浓度为10^-3 M至10^-15 M的R6G(罗丹明6G)溶液作为SERS测试分析物。
3:实验设备与材料清单:
设备包括连续光纤激光器(IPG, YLS-6000,波长1064 nm,光束直径6 mm)、真空磁控溅射仪(QUORUM, Q150T)、光学显微镜(OLYMPUS GX51)、扫描电子显微镜(HITACHI S-3400N)、透射电子显微镜(JEM-2100F)、原子力显微镜(BRUKER MultiMode8)、X射线衍射仪(BRUKER D8)及激光显微拉曼光谱仪(Renishaw,785 nm激发)。材料包含Al-20Si合金、NaOH溶液(75%)、HCl溶液(3M)、氩气及R6G。
4:1)、扫描电子显微镜(HITACHI S-3400N)、透射电子显微镜(JEM-2100F)、原子力显微镜(BRUKER MultiMode8)、X射线衍射仪(BRUKER D8)及激光显微拉曼光谱仪(Renishaw,785 nm激发)。材料包含Al-20Si合金、NaOH溶液(75%)、HCl溶液(3M)、氩气及R6G。 实验流程与操作步骤:
4. 实验流程与操作步骤:先用NaOH清洗Al-20Si板,随后按特定参数(功率5000 W,速度15 mm/s,氩气?;ぃ┙屑す庵厝邸=聿闱懈詈笾糜贖Cl中去合金化形成多孔Si。通过不同时间(60 s、300 s、600 s、900 s)溅射在多孔Si上沉积Au。通过滴加R6G溶液至样品表面、干燥后采集光谱进行SERS测量。
5:数据分析方法:
分析SERS光谱强度并进行峰位识别。采用平面玻璃表面的参考光谱计算增强因子(AEF)。通过多次测量计算相对标准偏差(RSD)。使用CST Microwave Studio进行电磁场模拟。
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Fiber Laser
YLS-6000
IPG
Used for laser remelting of the Al-Si cast alloy surface to create a dendritic microstructure.
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Optical Microscopy
GX51
OLYMPUS
Used to examine the microstructure of the samples.
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Scanning Electron Microscopy
S-3400N
HITACHI
Used for high-resolution imaging of the porous structures and Au coatings.
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Transmission Electron Microscopy
JEM-2100F
JEOL
Used to characterize the nanoscale features of the dendrite-like skeletons.
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Atomic Force Microscopy
MultiMode8
BRUKER
Used to measure surface roughness and topography of the Au film.
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X-ray Diffractometer
D8
BRUKER
Used to characterize the phases present in the samples.
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Vacuum Magnetron Sputter-Coater
Q150T
QUORUM
Used to coat the porous Si substrate with Au film to form the SERS platform.
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Laser Micro-Raman Spectrometer
Renishaw
Used to collect SERS spectra with 785 nm excitation.
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Software
CST Microwave Studio
CST
Used for electromagnetic field simulations to model SERS enhancement.
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