过渡金属掺杂微波合成β-Bi2O3纳米颗粒的形貌、光致发光与拉曼特性研究及其表面增强拉曼散射应用

研究人员通过微波辅助固-固燃烧法合成过渡金属（Cr、Fe、Co、Ni、Cu）掺杂的β-Bi2O3纳米颗粒，探究其对材料形貌、光致发光（PL）及表面增强拉曼光谱（SERS）的影响。结果表明，掺杂显著提升SERS性能，其中Cr掺杂β-Bi2O3对亚甲基蓝（MB）的增强达275倍，揭示了氧缺陷电荷转移（CT）机制，为半导体SERS基底设计提供新思路。

　　

研究背景与意义

半导体材料在能源与环境领域的应用需求日益增长，其中氧化铋（Bi₂O₃）因其可调带隙、低毒性和良好的生物相容性备受关注。然而，传统Bi₂O₃合成方法常涉及有害溶剂，且其表面增强拉曼光谱（SERS）性能远低于贵金属基底。如何通过绿色方法制备高性能Bi₂O₃基SERS材料，成为亟待解决的问题。

印度理工学院贾穆分校的研究团队创新性地采用微波辅助固-固燃烧法，制备了过渡金属（TM = Cr、Fe、Co、Ni、Cu）掺杂的β-Bi₂O₃纳米颗粒，系统研究了掺杂对材料结构、光学性质及SERS活性的影响。该研究发表于《Journal of Alloys and Compounds》，首次揭示了纯β-Bi₂O₃的SERS增强机制，为开发非贵金属SERS基底提供了重要理论依据。

关键技术方法

研究通过微波（700 W）加热硝酸铋与草酸混合物实现固-固燃烧合成，掺杂金属以硝酸盐形式引入。采用扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）等技术表征材料形貌与结构；通过光致发光（PL）和拉曼光谱分析光学性质；以亚甲基蓝（MB）为探针分子评估SERS性能，最低检测限达100 ppm。

研究结果

形貌与结构：掺杂显著改变β-Bi₂O₃形貌，如Fe³⁺诱导花状结构，Cr掺杂导致晶格畸变。XRD显示除Ni外，其他掺杂均未改变β相主体结构。

光学性质：过渡金属掺杂（除Ni外）均降低带隙，PL光谱表明Cr掺杂样品具有最高氧缺陷密度，促进电荷转移。

SERS性能：所有样品对MB均显示SERS增强，增强因子排序为β-Bi₂O₃-Cr（275倍）>β-Bi₂O₃-Fe>纯β-Bi₂O₃（223倍）。PL弛豫分析证实氧缺陷介导的CT机制是增强主因。

结论与意义

该研究证明微波合成的过渡金属掺杂β-Bi₂O₃可作为高效SERS基底，其性能与掺杂金属的电子构型密切相关。Cr掺杂样品因最优的CT效率展现最高增强能力，这一发现突破了半导体SERS增强倍数低的限制。研究为设计环保型SERS材料开辟了新途径，在环境监测和生物传感领域具有应用潜力。