[发明专利]一种基于双层银纳米结构的硅基SERS基底的制备方法

说明书

本发明属于纳米材料制备技术领域，特别涉及一种基于双层银纳米结构的硅基SERS基底的制备方法。本发明采用两步无电化学沉积技术，第一步在硅片表面沉积制备出均匀的单层银纳米粒子，第二步在单层银纳米粒子上再沉积制备出网状银纳米链，最终在硅片表面形成银纳米粒子和网状银纳米链的双层结构。与单层银纳米结构相比，双层银纳米结构形成更多“热点”区域，硅基SERS基底检测呈现出高灵敏度特征。本发明的制作成本低，具有无掩模、常温常压的制备特点，为新型硅基SERS基底的结构设计与制备提供了新的思路和有效的技术手段。

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，涉及一种基于双层银纳米结构的硅基SERS基底的制备方法。

背景技术

表面增强拉曼散射(surface-enhanced Raman scattering,SERS)是由于探测分子在金属上吸附或靠近具有纳米结构的表面而引起拉曼光谱信号的显著增强。银纳米粒子具有优异的活性与独特的光学性能，尤其是相邻银纳米粒子之间的等离子体耦合作用会引起局域电磁场增强，形成“热点”区域，显著增强探测分子的拉曼信号强度。最初，人们研究发现溶液形态的银纳米粒子SERS基底具有一定活性，能够增强探测分子的拉曼信号强度。然而，对于溶液形态的银纳米粒子，在溶液中分散不均匀，且纳米粒子之间容易发生团聚现象，导致拉曼测试结果的稳定性较差，限制了SERS基底材料的实际检测应用。

为了有效提升SERS基底检测的稳定性，研究人员考虑将银纳米粒子固定在固体衬底材料上。硅由于物理化学性质稳定、且具有良好的生物相容性，成为研究人员选择的衬底材料之一。利用单晶硅衬底材料，在其表面制备具有“热点”效应的银纳米粒子，进而构筑基于新型银纳米结构的硅基SERS基底一直是研究热点。专利(CN103604796A)在硅衬底上直接原位生长一层银纳米粒子，首次报道了一种硅基SERS基底；进一步，专利(CN102233424A)报道结合光刻掩模和反应离子束刻蚀，在硅表面制备出图案化的纳米通道，进而在硅纳米通道中制备出银纳米超结构阵列，形成另一种硅基SERS基底。最近，专利(CN111185590A)采用低温等离子体技术，在硅衬底上轰击银纳米线获得一层银纳米链结构，形成又一种硅基SERS基底。与之前溶液形态的银纳米粒子SERS基底相比，硅基SERS基底的活性与稳定性获得进一步改善，但以上这些制备技术通常需要复杂的光刻掩模设备或昂贵的高真空设备，工艺复杂，制作成本高，不适合大规模工业化应用。而且，对于硅基SERS基底，之前文献报道的银纳米结构均属于单层结构，双层银纳米结构至今还未见相关的文献报道。因此，本发明提供一种在硅基SERS基底上制备具有银纳米粒子和网状银纳米链双层结构的方法，这种制备方法在技术上具有无掩模、常温常压的特点，在工艺上具有工序简单、制作成本较低的优势，在性能上本发明制备的双层银纳米结构比单层银纳米粒子的拉曼检测灵敏度高，这对降底硅基SERS基底的制作成本、促进新型硅基SERS基底的结构设计和实际应用均具有一定的意义。

发明内容

本发明提供了一种基于双层银纳米结构的硅基SERS基底的制备方法，其特征在于，采用两步无电化学沉积技术，第一步在硅片表面沉积制备分布均匀的单层银纳米粒子，第二步在单层银纳米粒子上沉积制备出又一层网状银纳米链，形成银纳米粒子和网状银纳米链的双层结构，进而获得具有双层银纳米结构特征的硅基SERS基底，具体步骤如下：

a)硅片预处理：分别利用丙酮、乙醇以及去离子水超声清洗，去除硅表面油污污染物。利用5％氢氟酸浸泡去除氧化层，形成氢键终止的硅表面，再用去离子水冲洗，氮气吹干；

b)沉积制备单层银纳米粒子：采用无电化学沉积技术，将预处理后的硅片浸入具有一定配比的氢氟酸、硝酸银和异丙醇沉积溶液中，在15～25℃水浴条件下反应一定时间后，在硅片表面沉积出一层均匀的银纳米粒子，用去离子水冲洗干净，氮气吹干；

c)再沉积制备双层银纳米结构：采用无电化学沉积技术，将沉积单层银纳米粒子后的硅片浸入具有一定配比的氢氟酸和硝酸银沉积溶液中，在15～25℃水浴条件下反应一定时间后，会观察到硅片表面形成一层金色的薄膜，表明硅片表面已形成银纳米粒子和网状银纳米链的双层结构；