半導體產業網訊：從中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所獲悉，趙志剛研究員團隊在量子點尺寸調控研究中獲得新進展，并實現半導體SERS基底性能提升和無機小分子檢測。相關研究首次實現了半導體SERS基底對無機小分子直接、靈敏的檢測，對拓寬半導體SERS基底的應用具有重要意義。該工作以Quantum Effects Enter Semiconductor-based SERS: Multiresonant MoO3·xH2O Quantum Dots Enabling Direct, Sensitive SERS Detection of Small Inorganic Molecules為題發表于Analytical Chemistry。該論文第一作者為博士研究生宋鴿，通訊作者為趙志剛研究員。
表面增強拉曼技術（Surface-enhanced Raman Spectroscopy, SERS）是一種強大的無損、高靈敏、高特異性光譜技術，在反應監測、生物醫學檢測、環境監測等多個學科中均存在應用價值。近年來，半導體SERS基底的性能調控一直備受關注。然而，由于半導體SERS增強效果普遍較弱，難以應用于散射截面較小的無機物質的檢測，因此研究者致力于尋找可以提升半導體基底SERS性能的策略，從而提升半導體SERS基底對無機物質的響應性。
基于這一研究目標，中科院蘇州納米所趙志剛研究員團隊設計了一系列不同尺寸的氧化鉬納米晶和量子點，發現小尺寸的量子點在晶格缺陷和尺寸效應的雙重作用下SERS性能顯著提升，提出了基于多重共振耦合電荷轉移路徑實現高效化學增強效應的SERS作用機制，并實現了對無機小分子聯氨（N2H4）的低濃度檢測。
如圖1所示，量子點產生了明顯的帶隙變化和熒光發光現象，可以歸結為尺寸限域效應和小尺寸半導體中產生多重缺陷能級的共同作用。
圖1 量子點能帶結構和熒光發光效應表征
如圖2所示，量子點對多個探針分子產生了靈敏SERS響應，其中值得注意的是對無機小分子聯氨具有良好的SERS性能。通過進一步的表征得出量子點表面聯氨分子的檢測性能具有明顯的尺寸依賴性，且在2 nm尺寸下的極限濃度為4*10-5 mol/L。
圖2 量子點的SERS性能表征譜圖
如圖3所示，通過分析不同尺寸下能帶結構的變化，提出了2nm量子點高效SERS效應的機制為由于尺寸限域效應和晶格缺陷共同作用下能帶結構中存在的多重共振耦合電荷轉移路徑。
圖3 量子點高效SERS性能作用機制示意圖
據了解，該工作受到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院對外合作項目等項目的資助。論文原文地址：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.1c05142
