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高性能 SERS(Surface Enhanced Raman Spectroscopy,SERS)活性衬底能够避免荧光背景的干扰,提高生化分析检测灵敏度,因而在生物化学、生物物理和分子生物学等领域有着广泛的应用前景。本文采用磁控溅射和快速热处理相结合的方式,在单晶硅表面制备了粒径单高斯分布及双高斯分布的Ag球冠状纳米颗粒,并研究了其在不同退火温度下的形貌演变过程、形核机理及其在SERS衬底方面的应用。主要成果如下:1、采用磁控溅射和快速热退火相结合的方式制备出不同粒径和表面覆盖率的球冠状Ag纳米颗粒。理论计算和试验结果均表明当球冠状Ag纳米颗粒平均粒径为45.2 nm,表面覆盖率为35.6%时,相较于裸Si衬底,其作为SERS衬底检测石墨烯的G峰具有50倍增强,同时该制备方法简单易行且具有高重复性。2、本文较完整地解释了银纳米薄膜快速热退火条件下生成球冠状银纳米颗粒机理。根据薄膜成核长大热力学,分析多种几何体纳米颗粒成核过程中体系自由能改变量及形成晶核的成核功。研究发现:当成核功最低时,表面扩散容易进行,球冠状颗粒将自发地优先进行扩散。在FDTD模拟计算中,浸润角在90-180°范围内时,145°浸润角半径30 nm的球冠银纳米颗粒与Si衬底接触面的局域场最强达23.3 V/m,理论增强因子可达2.94 ×105。3、二次重复制备了厚度不同的金属薄膜,获得了高重复性、形貌尺寸双高斯曲线分布的球冠状银纳米颗粒SERS衬底。通过调整金属纳米薄膜厚度顺序,结合退火工艺,两次沉积Ag纳米薄膜可以在第一次生长的Ag纳米颗粒基础上再次生长。通过生成新颗粒和减小颗粒间隙,纳米颗粒耦合的局域场得到增强。将试验样品与试验和模拟结果分别进行对比,结果均显示颗粒在先沉积3.5 nm后沉积2nm的SERS衬底上的SERS效果最强,其作为SERS衬底G峰具有467倍Si表面增强拉曼散射能力和高重复性。4、利用FDTD solution软件模拟了 Ag颗粒尺寸及间距与局域场分布的关系。研究发现,在小颗粒粒径12 nm,大纳米颗粒尺寸为36 nm,颗粒间距为6 nm时,SERS增强因子达4.96× 103,双层Ag颗粒衬底相对于单层Ag颗粒衬底的SERS增强2.7倍。