[论文解读] 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 3

一句话总结

本综述探讨了石墨烯和MoS2等二维（2D）材料在表面增强拉曼光谱（SERS）中的应用，重点关注其本征增强机制以及与金属形成的异质结构。研究表明，纯2D材料及金属/2D异质结构可实现显著的拉曼信号放大，为可调谐、无基底的超灵敏化学与生物传感提供了一个有前景的平台。

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.

研究动机与目标

• 系统回顾2010至2017年间关于二维材料在表面增强拉曼光谱（SERS）中应用的最新进展。
• 分析石墨烯和MoS2等纯2D材料的拉曼增强机制。
• 评估金属/2D材料复合基底在增强拉曼信号方面的性能。
• 识别在传感应用中实际实施的关键挑战与机遇。
• 全面概述当前2D材料在SERS技术中的发展现状及未来潜力。

提出的方法

• 回顾2010至2017年期间发表的、聚焦于2D材料在SERS应用中的同行评审文献。
• 分析石墨烯、MoS2及相关2D材料中拉曼增强机制的实验与理论研究。
• 评估将等离子体金属（如Ag、Au）与2D材料结合形成的复合基底，以协同电磁增强与化学增强效应。
• 讨论电荷转移机制作为2D材料中主导增强路径的作用，其依据来自理论建模与光谱证据。
• 比较文献中报道的不同2D材料体系及复合结构的增强因子。
• 利用示意图与数据整合，阐明增强机制与材料性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 纯二维材料（如石墨烯和MoS2）中的主导拉曼增强机制是什么？
• RQ2 金属/2D材料异质结构相较于纯金属基底如何提升SERS性能？
• RQ3 电荷转移在2D材料表面增强拉曼信号中扮演何种角色？
• RQ4 2D材料的电子与光学性质如何影响其SERS活性？
• RQ5 将2D材料整合到实际SERS传感平台中的关键挑战与未来前景是什么？

主要发现

• 纯2D材料（如石墨烯和MoS2）由于分析物与2D材料之间的电荷转移，表现出本征的化学增强效应。
• 石墨烯基底对某些分子的增强因子可达10^4至10^5量级，归因于共振电荷转移与π共轭效应。
• 将Ag或Au纳米颗粒与2D材料结合形成的复合基底可实现协同增强，在某些情况下增强因子超过10^6。
• 2D材料层可作为保护性且均匀的涂层，减少淬灭效应，提升SERS测量的重现性。
• 过渡金属二硫属化物（如MoS2）电子能带结构的可调性能，使其能够选择性增强特定分析物。
• 本综述指出，2D材料为传统等离子体基底提供了无基底、柔性且化学稳定的替代方案，适用于SERS应用。