PDF《基于介孔 TiO2 薄膜等离子体波导的拉曼光谱技术研究》

使 用体光束激发方式对介孔薄膜 PW 拉曼基底下的 背向信号、 定向信号以及非定向信号进行探测, 拉 曼探测过程中积分时间均设置为

60 s, 平均次数为 3次. 图1(网刊彩色) 基于介孔 TiO2 薄膜等离子体波导的拉 曼测试装置示意图 Fig. 1. (color online) Schematic diagram of the PW- based Raman spectroscopy setup. 2.3 拉曼基底制备 Glass/Au/TiO2 介孔薄膜 PW 拉曼基底制备 的具体步骤为: 1) 通过射频溅射镀膜技术, 依 次在干净的玻璃基片上溅射

3 nm 铬膜和

40 nm 金膜;

2) 配制TiO2 胶体溶液待用. 胶体溶液中各 试剂的质量比 为m(P123) : m(TTIP) : m(HCl) : m (EtOH) = 1.0 : 5.23 : 3.2 :

12 [25] ;

3) 采用自制拉膜仪通过浸渍提拉法在金膜表面覆 盖一层 TiO2 胶体膜, 然后将覆盖了 TiO2 胶体膜的 基片置于

85 ? C 的鼓风干燥箱中干燥

3 h, 最后将 干燥后的基片置于马弗炉中在

400 ? C 下高温煅烧

5 h, P123 在高温下分解, 从而制备出介孔 TiO2 薄膜PW拉曼基底.

3 结果与讨论 3.1 拉曼基底表征 通过扫描电子显微镜 (SEM) 观察实验制备的 介孔TiO2 薄膜PW拉曼基底的表面与横截面形貌, 137801-2 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No.

13 (2016)

137801 结果如图

2 所示. 其中图

2 (a) 的放大倍数为 60000, 从中可看出芯片表面介孔分布均匀且呈开口状, 以上特点有利于待测小分子的快速扩散和吸附;

图2(b) 的放大倍数为 150000, 由图容易看到芯片 各层膜界面清晰, 表面十分平整, 另外还可估算出 金膜厚度约为

40 nm, 介孔 TiO2 薄膜的厚度约为

275 nm. 图2利用 SEM 测得的 (a) 介孔 TiO2 薄膜的表面形貌和 (b) PW 芯片的横截面形貌 Fig. 2. (a) Surface morphology of the mesoporous TiO2 ?lm and (b) cross-section morphology of the PW chip obtained by SEM. 为了探究介孔 TiO2 薄膜 PW 拉曼基底的共振 特性, 利用实验室自主设计的波长检测型光学测量 装置 [25] 在空气气氛下探测了 PW 拉曼基底的反射 光强度谱, 图3(a) 所示为 p偏振光在不同入射角下 的反射光谱探测结果. 由图可知上述介孔薄膜 PW 拉曼基底具有很好的共振传感特性, 能够满足波导 共振拉曼探测的需求, 且在入射角 θ = 45? 附近时 导模共振波长 (λR) 为559 nm. 利用菲涅耳公式拟 合实验测得的导模共振波长, 得到PW 拉曼基底中 介孔 TiO2 薄膜的色散特性, 然后通过 Bruggeman 等效介质近似公式 (1) 式计算得出介孔 TiO2 薄膜 的多孔度 [26] : f1 n2

1 ? n2 n2

1 + 2n2 + f2 n2

2 ? n2 n2

2 + 2n2 + f3 n2

3 ? n2 n2

3 + 2n2 = 0, (1) 式中 f1, f2 和f3 分别代表多孔薄膜中 TiO2 介质、 孔内空气和孔内吸附介质的体积分数;

n1, n2 和n3 分别代表它们的折射率, n 代表介孔 TiO2 薄膜的 平均折射率. 仿真时所用到的参数包括: 介孔TiO2 薄膜厚度dTiO2 =

275 nm, 金膜厚度dAu =

40 nm;

当f3 =

0 时, f2 即对应为多孔薄膜的多孔度. 代入 上述参数并取 f3 = 0, 仿真计算得到的反射光谱如 图3(b) 所示, 与实验测得的反射光强度谱基本符 合, 此时我们可以得到介孔 TiO2 薄膜的多孔度约 为0.589. 图3(网刊彩色) (a) 实验测得的介孔 TiO2 等离子体波 导在 p 偏振入射光下的反射光强度谱 (空气气氛);

(b) 利 用菲涅耳公式拟合计算得到的相应的反射光谱 Fig. 3. (color online) (a) Re?ected light intensity spec- tra for the prism-coupled PW measured at di?erent incident angles with the broadband collimated and p- polarized light source;