三维直立石墨烯/金属纳米颗粒杂化结构阵列的制备方法及应用

石墨烯/金属复合结构体系是等离激元结构应用于生物传感以及催化领域中的重要体系之一，尽管与之相关的光与物质相互作用的工作已经被大量报道，但石墨烯直接驱动等离激元增强的潜在机理还并不清晰。在这里，我们研究了石墨烯/金纳米颗粒复合结构的超快光谱特性，证明了光生载流子从石墨烯到到金纳米颗粒之间的传输过程。更重要的是，石墨烯层不仅作为电子的存储层，而且从石墨烯传输到金颗粒的电子还可以极大地增强金颗粒体系的等离激元激发，并由此在复合系统中产生巨大局域电磁增强。该研究进一步表明这种由石墨烯本身直接驱动的局域电磁增强对于石墨烯/金属复合体系的表面增强拉曼散射(SERS)特性的提高具有重要的贡献。该研究中三维直立石墨烯/金属纳米颗粒杂化结构阵列的制备方法见下图1。首先，硅微金字塔阵列的制备利用碱性腐蚀液对单晶硅的各向异性腐蚀作用，主要采取两步腐蚀法，即先使用KOH与异丙醇的混合溶液腐蚀，紧接着再使用TMAH与异丙醇的混合溶液进行腐蚀。由于两种混合液的不同晶面腐蚀速率比不同，腐蚀中会出现明显的分界面而形成双层金字塔结构。在硅微米金字塔阵列衬底的基础上，先利用微波等离子体化学气相沉积法在硅金字塔衬底上生长均匀的直立石墨烯纳米片，然后再利用磁控溅射使直立石墨烯纳米片的表面均匀包覆金属颗粒，金属颗粒的大小可以通过溅射时间来精确控制。图2给出制备的硅微金字塔阵列和其上面生长石墨烯纳米片及沉积金属颗粒的形貌图。这种三维复合等离激元杂化结构体系非常适合SERS和催化领域的应用。

加工工艺特点详见文献链接：http://in.iphy.ac.cn/upload/s22/m/201706281513499892.pdf

图1.直立石墨烯/金属纳米颗粒复合结构的制备工艺。

a-d 两部腐蚀法制备硅金字塔阵列结构，e-f 通过微波CVD生长直立石墨烯纳米片和通过磁控溅射沉积Au纳米颗粒，从而形成等离激元复合杂化结构。

图2. 三维复合结构阵列的形貌图。

a. 制备的硅微金字塔结构阵列和单个锥结构，b.阵列结构上面生长直立石墨烯纳米片的形貌图，c.直立石墨烯单片上包覆金属颗粒前后的形貌图。