一种获得硅锗薄膜表面增强拉曼散射信号的探测方法与流程

本发明涉及通过拉曼测试结果对于硅基薄膜的结构及成分等分析，尤其是一种利用纳米金属结构表面等离子激元的表面增强拉曼散射效应进行硅锗薄膜拉曼散射探测的方法。

背景技术：

拉曼散射光谱作为研究物质结构的强有力工具，已经有七十多年的历史。随着激光技术的发展及信号过滤整合的光纤探头的出现，体积小、易使用的拉曼光谱仪提供了低荧光本底而高质量的拉曼光谱。拉曼散射光谱因其检测时间短、灵敏度高、无损样品等特点，已经成为一种表征硅材料微结构的有效手段而得到广泛应用。

表面增强拉曼散射（surfaceenhancedramanscattering，简称sers）是将激光拉曼光谱应用到表面科学研究中所发现的异常的表面光学现象。由于分子的拉曼散射是分子在外电场作用下极化而产生诱导偶极矩，交变的偶极矩在再发射的过程中，受到分子中原子间振动的调制，从而产生拉曼散射光。因此，拉曼散射强度的增强一定来源于作用于分子上的电场增强或者分子极化率的增加。目前人们提出的这些理论模型可以分为两大类：电磁增强和化学增强。前者对应于物理类模型，其出发点为sers起源于分子表面局域电场的增强。后者对应于化学类模型，以金属与分子间的化学作用导致极化率的改变为出发点。然而很难在某一增强过程中同时严格定量地区分两种增强的贡献，增强过程涉及分子、表面及其相互作用，因素很复杂，一般认为吸附分子同时受这两种机制的共同作用。

由于电磁场增益系数较化学增益系数大数个数量级，已被研究人员从理论与实验中证明是表面增强拉曼散射的主要作用机制。且由于纳米级粗糙度的金属表面能够激发处表面等离子激元，形成强局域场，并耦合形成高能的“热点”，使得分子中原子间振动增强，从而使得拉曼信号大大增强。该作用机制已经得到国际上越来越多的认同，并在探测器的应用和单分子检测方面发挥着重要的作用。

硅锗薄膜具有复杂的成键结构，其复杂的原子成键结构可以在拉曼谱图中表现出丰富的信息。在硅基薄膜的拉曼散射谱中，由于si-si键的lo、ta、la振动模及si-ge键、si-o键及ge-ge键等振动键极化率较低，在拉曼谱图中具有很弱的峰强，一般不容易观测与比较分析。因此在传统的硅基薄膜材料的分析中，仅能通过si-si键的to模来进行一定的结构分析，无法展现硅基薄膜自身丰富的结构信息。

将表面增强拉曼散射应用于硅锗薄膜材料的探测中，将硅锗薄膜中的强度较弱的硅锗键振动信息放大，可以显著的提高硅锗薄膜中各振动键的探测精度，从而为硅锗薄膜全面的结构分析提供便利条件。

技术实现要素：

本发明目的旨在为克服现有技术的不足，而提供一种获得硅锗薄膜表面增强拉曼散射信号的探测方法，该方法中的纳米金属结构可以激发出高能的表面等离子激元，具有显著的局域场增强效果。

本发明为实现上述目的，设计了一种将纳米金属结构与硅锗薄膜材料结合的方法，其方法包括以下步骤：将玻璃衬底进行清洁处理；在玻璃衬底上制备纳米金属结构；在纳米金属结构之上制备硅锗薄膜材料。

本发明有益效果是：采用纳米金属颗粒作为硅锗薄膜的衬底材料，可以有效的利用纳米金属颗粒的表面等离子激元，提高硅锗薄膜中硅锗峰的探测精度。这种结构即可以有效的避免纳米金属颗粒表面等离子激元产生的荧光干扰，同时可使得表面等离子激元颗粒很好的耦合到硅锗薄膜材料中，从而使得硅锗薄膜中各振动键随表面等离子激元耦合电场的增强而显著增强，最终达到提高硅锗薄膜拉曼峰探测精度的效果。

【附图说明】

图1为本发明的采用纳米金属结构作为硅锗薄膜增强拉曼衬底的结构示意图；

图2为本发明的利用热蒸发法制备得到的纳米ag颗粒形貌图，sem放大倍数为10万倍；

图3为纳米ag颗粒作为增强拉曼散射衬底材料得到的本征非晶硅锗材料的拉曼散射光谱，其中图(a)给出了没有采用增强衬底时的本征非晶硅锗材料的拉曼散射光谱，图(b)为增强拉曼散射光谱与原光谱的比较；

图4为纳米ag颗粒作为增强拉曼散射衬底材料得到的本征微晶硅锗材料的拉曼散射光谱。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施例对本发明所述的技术方案进行详细的说明。

本发明利用纳米金属结构表面等离子激元的表面增强拉曼散射效应进行硅基薄膜拉曼散射信号探测，包括依次处理或制备：衬底材料a，纳米金属结构m，硅锗薄膜材料s，采用拉曼散射光谱仪进行拉曼散射光谱测量。其中的纳米金属结构层m具有激发表面等离子激元的特性，通过表面等离子激元的高能局域电场使得硅基薄膜中的极化场得到增强，从而实现提高硅基薄膜拉曼散射信号强度的功能。

所述硅基薄膜的衬底材料a为硬衬底（如玻璃衬底）或柔性衬底（如不锈钢、聚合物）材料。

所述纳米金属颗粒层m制备工艺为蒸发、溅射、溶胶凝胶、聚焦离子束刻蚀或电子束刻蚀方法制备中至少一种。

所述硅锗薄膜材料s为非晶硅锗或微晶硅锗材料。

所述拉曼散射光谱为共聚焦显微拉曼或傅立叶红外拉曼。

实施例1:

采用热蒸发法制备纳米ag颗粒作为非晶硅锗薄膜材料的衬底，得到非晶硅锗材料的增强拉曼散射光谱。

首先在玻璃上制备纳米ag颗粒，采用热蒸发制备技术，衬底温度为160ºc，本底真空为9.8х10^-4pa，蒸发速率为1å/s，采用晶体探头在线探测的等效厚度为20nm。

采用rf-pecvd制备技术在沉积了纳米ag颗粒的衬底上制备非晶硅锗材料。

采用633nm入射波长的共聚焦拉曼进行硅锗薄膜材料拉曼散射信号测试。直接在玻璃上沉积的非晶硅锗薄膜的拉曼谱如图3(a)所示。采用纳米ag颗粒作为增强拉曼散射衬底，得到的非晶硅锗薄膜的拉曼谱如图3(b)所示，为了比较其增益无纳米ag颗粒增强衬底的非晶硅锗薄膜拉曼谱也示于图3(b)中，为黑色曲线所示。

从图3中可以清晰的看到，当采用纳米ag颗粒作为衬底材料时，非晶硅锗薄膜的拉曼散射信号出现了整体的显著增强。且si-ge键与ge-ge键能够清晰的显现出来，其散射信号强度大于为适用增强衬底前信号强度，提高了si-ge键与ge-ge键的探测精度。

实施例2:

采用热蒸发法制备纳米ag颗粒作为微晶硅锗薄膜材料的衬底，得到微晶硅锗材料的增强拉曼散射光谱。

首先在玻璃上制备纳米ag颗粒，采用热蒸发制备技术，衬底温度为160ºc，本底真空为9.8х10^-4pa，蒸发速率为1å/s，采用晶体探头在线探测的等效厚度为20nm。

采用rf-pecvd制备技术在沉积了纳米ag颗粒的衬底上制备微晶硅锗材料。

采用633nm入射波长的共聚焦拉曼进行硅锗薄膜材料拉曼散射信号测试，得到的采用纳米ag颗粒作为微晶硅锗材料拉曼衬底材料以及直接制备在玻璃衬底之上的微晶硅锗薄膜的拉曼散射信号如图4所示。

从图4中可见，采用纳米ag颗粒作为微晶硅锗材料拉曼衬底材料的微晶硅锗薄膜的拉曼散射光谱同样出现了整个谱域上的整体增强，且si-ge键与ge-ge键也得到了提高，提高了其探测精度。同时应该指出增强拉曼散射光谱中拉曼峰值位置的保持不变，表明纳米ag颗粒的高强局域电场在提高硅锗薄膜中拉曼散射信号强度的同时，没有引起硅锗薄膜结构的改变。

综上，本发明提供了一种提高硅锗薄膜中拉曼散射信号强度的方法，该方普遍适用于非晶硅锗与微晶硅锗薄膜材料。且无论是非晶硅锗薄膜的增强拉曼散射光谱还是微晶硅锗薄膜的增强拉曼散射光谱均保持了与原散射光谱相同的形状与峰值位置，表明纳米ag颗粒的引入没有造成硅锗薄膜结构的演变，保持了材料的原有特性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。