激光直写光刻诱导银纳米片生长及其表面增强拉曼散射性能研究

为解决传统银纳米片制备方法在结构控制和规模化生产上的局限性，研究人员采用激光直写光刻结合SF6刻蚀技术，成功制备了有序银纳米片阵列，并通过负载金纳米颗粒显著提升了表面增强拉曼散射（SERS）性能。研究表明，60秒SF6刻蚀和4 μm银柱直径可优化纳米片生长，形成更多“热点”，在785 nm激发下SERS信号增强显著。该研究为生物传感和环境监测提供了高性能SERS基底设计新策略。

　　

在纳米材料领域，银纳米片因其独特的二维结构和局域表面等离子体共振（LSPR）效应，被视为表面增强拉曼散射（SERS）基底的理想候选。然而，传统制备方法如化学还原法和模板法存在结构可控性差、排列无序等问题，制约了其实际应用。如何实现银纳米片的大面积有序制备并进一步提升SERS性能，成为亟待突破的科学难题。

针对这一挑战，国内浙江理工大学的研究团队在《Surfaces and Interfaces》发表了一项创新研究。他们巧妙地将激光直写光刻技术与SF₆等离子体刻蚀相结合，在硅基底上构建了高度有序的银纳米片阵列。通过系统优化银柱直径（4 μm）、SF₆刻蚀时间（60秒）和4-巯基苯甲酸（4-MBA）诱导时间（12小时），成功实现了纳米片的可控生长。更引人注目的是，研究团队创新性地引入金纳米颗粒构建复合结构，使SERS信号在785 nm激光激发下获得显著增强。

研究主要采用三项关键技术：激光直写光刻实现银柱阵列的微米级精确定位；SF₆等离子体刻蚀在银柱表面创造纳米级粗糙结构以提供生长位点；4-MBA分子诱导银离子定向还原形成纳米片。通过场发射扫描电镜（FESEM）和紫外-可见分光光度计（UV-vis）对材料进行表征，结合有限元分析（FEM）模拟电磁场分布。

结果与讨论部分揭示：

1. SF₆刻蚀时间影响：60秒刻蚀可在银柱表面形成最佳密度的活性位点，过度刻蚀（>60秒）会导致纳米片生长饱和。
2. 银柱直径效应：4 μm直径银柱因其更大比表面积，比2 μm直径样品产生更强的电磁场增强（模拟显示场强提升3.7倍）。
3. 金纳米颗粒协同作用：负载20 nm金颗粒后，纳米片间隙形成的“热点”数量增加，使4-MBA特征峰强度提升约15倍。
4. 激发波长依赖性：785 nm激发比633 nm更有效激活金-银复合结构的LSPR效应，这与FEM模拟的电磁场分布高度吻合。

结论部分指出，该研究通过“自上而下”的光刻技术与“自下而上”的化学生长相结合，突破了传统方法的局限性。所制备的银纳米片阵列具有三大优势：高度有序的结构可保证信号重现性；多级粗糙表面提供丰富的SERS活性位点；金-银异质结构实现宽谱响应。这种设计策略为开发新一代高灵敏度SERS传感器奠定了基础，在痕量污染物检测和生物标志物筛查等领域展现出广阔前景。研究团队特别强调，该方法无需复杂掩模即可实现图案化加工，具备从实验室向产业化过渡的潜力。