利用ArF准分子激光脉冲与金膜相互作用制备表面金纳米颗粒及其在表面增强拉曼散射(SERS)中的应用研究

本研究针对传统化学合成金纳米颗粒环境污染问题，创新性采用ArF准分子激光(193 nm)辐照沉积于聚碳酸酯基板的金膜，系统探究了能量密度阈值(50 mJ/cm2)和外加电场(105 V/m)对表面金纳米颗粒形貌调控的影响，成功制备出立方相纳米颗粒(31.7 nm)和微米球(1263.2 nm)，为SERS应用提供了环境友好型制备方案。

　　

在纳米科技迅猛发展的今天，金纳米颗粒(AuNPs)因其独特的局域表面等离子体共振(LSPR)效应和表面增强拉曼散射(SERS)活性，已成为生物传感、环境监测和医学诊断等领域的研究热点。然而传统化学合成法面临的环境污染问题日益凸显——化学还原剂的使用不仅产生有毒副产物，液相环境中纳米颗粒的稳定性也难以保障。与此同时，激光烧蚀法作为一种"绿色"制备技术，可通过精确调控激光参数直接获得表面固定的纳米颗粒，避免了化学稳定剂的使用，但如何实现纳米颗粒形貌的精准控制仍是亟待解决的科学难题。

针对这一挑战，伊朗Semnan大学物理学院的研究团队在《Optical Materials》发表了一项创新研究。该团队采用ArF准分子激光(193 nm)辐照沉积于聚碳酸酯(PC)基板的金膜，系统考察了能量密度和外加电场对表面金纳米颗粒(LISNs)形成的调控规律。研究通过物理气相沉积(PVD)制备50 nm金膜后，使用5个激光脉冲在45-50 mJ/cm²能量密度范围内进行辐照，并创新性地引入10⁵ V/m外电场干预颗粒生长过程。

关键技术方法包括：1) 通过PVD在PC基板上沉积50 nm金膜；2) 采用193 nm ArF准分子激光在不同能量密度(45/50 mJ/cm²)下辐照样品；3) 施加10⁵ V/m横向电场调控纳米颗粒生长；4) 通过SEM和光谱分析表征颗粒形貌与光学特性。

【结果与讨论】
能量密度阈值研究发现，50 mJ/cm²是形成表面金纳米颗粒的临界值。低于此值时仅能观察到金膜的热变形，而达到阈值后成功制备出两种典型结构：无外场时形成微米级球形颗粒(平均1263.2 nm)，施加外场后则获得纳米级球形簇(平均31.7 nm)。值得注意的是，45 mJ/cm²能量密度下所有颗粒均呈现立方晶相，这为晶相控制提供了新思路。

外电场效应研究表明，10⁵ V/m电场可有效抑制颗粒生长，使粒径减小40倍。这种"电场淬灭"效应源于带电熔融金颗粒在电场中的定向迁移抑制了奥斯特瓦尔德熟化过程。光谱分析显示50 mJ/cm²制备的样品具有更强的SERS活性，其增强因子与纳米颗粒的立方相结构和局域电磁场增强密切相关。

【结论】
该研究建立了激光参数-纳米结构-SERS性能的定量关系：1) 首次报道了50 mJ/cm²的能量密度阈值；2) 揭示外电场可通过抑制颗粒聚集获得更小尺寸的纳米结构；3) 证实立方相金纳米颗粒具有最优SERS性能。这项技术无需化学试剂、工艺参数精确可控，为环境友好型SERS基底制备提供了新范式，在痕量物质检测和生物传感器开发领域具有重要应用前景。研究团队特别指出，聚碳酸酯基板的机械稳定性和表面粗糙度控制是保证纳米颗粒均匀性的关键因素，这一发现为柔性光电器件开发提供了新思路。