Enhanced Raman scattering in plasmonic-photonic Au-WO₃₋ₓ substrates

Στόχος της παρούσας εργασίας ήταν η κατασκευή υμενίων φωτονικών κρυστάλλων (Photonic Crystal, PC) αντίστροφου οπαλίου (Inverse Opal, IO) WO₃ επιφανειακά τροποποιημένων με νανοσωματίδια (Nanoparticles, NPs) Au και η ανάπτυξή τους ως υποστρώματα για επιφανειακή ενίσχυση φασματοσκοπίας Raman (Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS), σε μια προσπάθεια ταυτόχρονης εκμετάλλευσης της πλασμονικής ενίσχυσης από τα νανοσωματίδια Au, της χημικής ενίσχυσης από τον σκελετό WO₃ και της ενίσχυσης αργών φωτονίων από τη δομή IO. Τα υμένια IO WO₃ κατασκευάστηκαν μέσω της αυτοοργάνωσης μονοδιεσπαρμένων κολλοειδών σφαιρών πολυστυρενίου 418 nm σε συνδυασμό με τη συναπόθεση υδατοδιαλυτού πρόδρομου WO₃, ακολουθούμενη από ανόπτηση στους 450 °C. Κενά οξυγόνου εισήχθησαν στα υμένια WO₃ μέσω αναγωγής από μέταλλο επαγόμενης από οξύ, με στόχο αυξημένη χημική ενίσχυση μέσω διεπιφανειακής μεταφοράς φορτίου, και πιθανώς ακόμη και πλασμονικής ενίσχυσης από το ισχυρά ανηγμένο WO₃₋ₓ. Τα ανηγμένα υμένια WO₃₋ₓ ήταν ασταθή και επανέρχονταν στην προ αναγωγής κατάστασή τους εντός λίγων ωρών, απαιτώντας θερμική σταθεροποίηση μέσω ανόπτησης υπό ροή N₂ για τη διατήρηση της αυξημένης συγκέντρωσης κενών οξυγόνου. Τα υμένια τροποποιήθηκαν επιφανειακά με νανοσωματίδια Au μέσης διαμέτρου 5, 20 και 50 nm που εναποτέθηκαν στα υποστρώματα υπό τη μορφή εμπορικά διαθέσιμων εναιωρημάτων νανοσωματιδίων Au σε υδατικά διαλύματα κιτρικού άλατος. Ο αναλυτής που χρησιμοποιήθηκε για την αξιολόγηση της απόδοσης SERS ήταν το 4-μερκαπτοβενζοϊκό οξύ (4-MBA), το οποίο εναποτέθηκε στα υποστρώματα υπό τη μορφή διαλυμάτων αιθανόλης, η συγκέντρωση των οποίων επαληθεύτηκε με μετρήσεις απόσβεσης. Τα φάσματα SERS συλλέχθηκαν με διέγερση laser διόδου στα 785 nm και αντικειμενικού φακού x5, καταγράφοντας έτσι τον μέσο όρο της ενίσχυσης σε μια μεγάλη περιοχή κάθε δείγματος. Τα μορφολογικά, συστασιακά και δομικά χαρακτηριστικά των WO₃/WO₃₋ₓ φωτονικών υμενίων IO μελετήθηκαν με τη χρήση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (Scanning Electron Microscopy, SEM), φασματοσκοπίας ακτίνων Χ με διασπορά ενέργειας, περιθλασιμετρίας ακτίνων Χ (X-Ray diffractometry, XRD) και φασματοσκοπίας Raman. Οπτική φασματοσκοπία χρησιμοποιήθηκε για τη μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων των υποστρωμάτων, την αξιολόγηση της προσαρμογής μεταξύ των αργών φωτονίων κόκκινης ακμής των υμενίων PC και του μήκους κύματος διέγερσης, καθώς και για την εξέταση της σταθερότητας της ανηγμένης φάσης και των πλεονεκτημάτων της θερμικής σταθεροποίησης μετά την αναγωγή. Οι εικόνες SEM επαλήθευσαν ότι τα υμένια WO₃/WO₃₋ₓ απέκτησαν μερικώς την επιθυμητή δομή IO. Η ανάλυση με XRD και φασματοσκοπία Raman έδειξαν ότι ο σκελετός WO₃ κρυσταλλώθηκε στη μονοκλινή φάση γ-WO₃ , η οποία μετά την αναγωγή μετέβη εν μέρει στην ορθορομβική φάση β-WO₃. Το φάσμα κατοπτρικής ανακλαστικότητας παρουσίαζε κορυφή λόγω του φωτονικού χάσματος, σε μήκος κύματος συμβατό με τις διαμέτρους των σφαιρικών κενών που καταγράφηκαν από τις εικόνες SEM, η οποία ήταν επίσης κατάλληλα τοποθετημένη σε σχέση με το μήκος κύματος του laser, όσον αφορά την προσαρμογή του με την περιοχή αργών φωτονίων κόκκινης ακμής. Οι μετρήσεις διάχυτης ανακλαστικότητας επαλήθευσαν την αστάθεια της ανηγμένης φάσης WO₃₋ₓ και επιβεβαίωσαν τη θερμική σταθεροποίηση ως μερική λύση στο πρόβλημα. Τα υμένια PC IO WO₃ διακοσμημένα με νανοσωματίδια Au των 5 nm εμφάνισαν τη χειρότερη απόδοση SERS, έχοντας όριο ανίχνευσης 10⁻⁶ M. Τα υμένια διακοσμημένα με νανοσωματίδια Au των 20 και 50 nm παρουσίασαν παρόμοια απόδοση, έχοντας και τα δύο όριο ανίχνευσης 10⁻⁷ M. Η αναγωγή των υμενίων δεν οδήγησε σε μετρήσιμη βελτίωση της απόδοσής τους ως υποστρωμάτων SERS υπό τις πειραματικές συνθήκες που διερευνήθηκαν στην παρούσα μελέτη.

Authors dc:creator

• ΚΟΡΔΑΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ
• KORDAS ATHANASIOS

• Θετικές Επιστήμες
• Science

Language dc:language

English

Identifier

uoadl:5425634

OAI record oai:identifier

https://pergamos.lib.uoa.gr/uoa/dl/frontend/oaipmh?verb=GetRecord&metadataPrefix=oai_dc&identifier=oai%3Alib.uoa.gr%3Auoadl%3A5425634