[論文レビュー] A review on applications of two-dimensional materials in surface enhanced Raman spectroscopy

Ming Xia|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2017

Gold and Silver Nanoparticles Synthesis and Applications参考文献 51被引用数 3

ひとこと要約

本レビューでは、グラフェンやMoS2などの二次元(2D)材料が表面増強ラーマン分光法(SERS)に応用される応用について検討し、それらの内在的増強メカニズムおよび金属と組み合わせたハイブリッド構造に焦点を当てる。本研究では、裸の2D材料および金属/2Dヘテロ構造が顕著なラーマン信号増強を実現できることを示しており、チューナブルで基板フリーの増強を備えた、超高感度な化学および生物学的センシングのための有望なプラットフォームを提供する。

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) materials, such as graphene and MoS2, have been attracting wide interest in surface enhancement Raman spectroscopy. This perspective gives an overview of recent developments in 2D materials' application in surface enhanced Raman spectroscopy. This review focuses on the applications of using bare 2D materials and metal/2D material hybrid substrate for Raman enhancement. The Raman enhancing mechanism of 2D materials will also be discussed. The progress covered herein shows great promise for widespread adoption of 2D materials in SERS application.

研究の動機と目的

• 2010年から2017年までの査読付き論文を対象に、2次元材料を用いたSERS応用に関する最近の進展を体系的にレビューすること。
• グラフェンやMoS2などの裸の2次元材料におけるラーマン増強メカニズムを分析すること。
• 金属/2次元材料ハイブリッド基板がラーマン信号をどのように増強するかの性能を評価すること。
• センシング応用における実用的実装のための主な課題と機会を特定すること。
• 2次元材料がSERS技術に与える現在の状況と今後の可能性を包括的に概説すること。

提案手法

• 2010年から2017年までの査読付き論文を対象に、2次元材料を用いたSERS応用に関する文献レビュー。
• グラフェン、MoS2および関連2次元材料におけるラーマン増強メカニズムに関する実験的および理論的研究の分析。
• プラズモニック金属（例：Ag、Au）と2次元材料を組み合わせたハイブリッド基板が、電磁的および化学的増強を相乗効果的にもたらす仕組みの評価。
• 理論的モデリングおよび分光的証拠により支持される、2次元材料における電荷移動が主な増強経路であるとの議論。
• 異なる2次元材料系およびハイブリッド構成における文献で報告された増強因子の比較。
• 増強メカニズムおよび材料の性能を明確にするために、模式図の活用とデータ統合。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンやMoS2などの裸の二次元材料におけるラーマン増強の主なメカニズムは何か？
• RQ2 金属/2次元材料ヘテロ構造は、純粋な金属基板と比較してSERS性能をどのように向上させるか？
• RQ3 2次元材料表面におけるラーマン信号増強に電荷移動が果たす役割は何か？
• RQ4 2次元材料の電子的および光学的性質は、そのSERS活性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 2次元材料を実用的SERSセンシングプラットフォームに統合するにあたり、主な課題と今後の展望は何か？

主な発見

• グラフェンやMoS2などの裸の2次元材料は、アナリトと2次元材料との間の電荷移動によって、内在的な化学的増強を示す。
• グラフェンベースの基板は、共鳴電荷移動およびπ共有結合性に起因し、特定の分子に対して10^4から10^5のオーダーの増強因子を示す。
• AgまたはAuナノ粒子と2次元材料を組み合わせたハイブリッド基板は相乗的増強を示し、一部の事例では10^6を超える増強因子を達成している。
• 2次元材料層は、クエンチング効果を低減し、SERS測定の再現性を向上させる保護的で均一なコーティングとして機能する。
• MoS2などの遷移金属ジ chalcogenidesの電子バンド構造のチューナビリティにより、特定のアナリトに対して選択的増強が可能になる。
• 本レビューは、2次元材料が従来のプラズモニック基板に代わる、基板フリーで柔軟性があり、化学的に安定な代替手段を提供することを強調している。