Modulation ferroélectrique du niveau de Fermi d’oxyde de graphène pour améliorer la réponse SERS

La diffusion Raman améliorée en surface (SERS) est une puissante technique d’analyse et de détection d’empreintes digitales qui joue un rôle important dans les domaines de la sécurité alimentaire, de la protection de l’environnement, de la bio-imagerie et de l’identification des substances dangereuses. L’amélioration électromagnétique (EM) et l’amélioration chimique (CM) sont les deux mécanismes d’action reconnus pour amplifier les signaux Raman.

L’EM provient de l’effet de résonance plasmonique de surface localisé de nanostructures de métaux nobles telles que l’or, l’argent et le cuivre, tandis que le CM provient du transfert de charge entre le substrat et les molécules sondes. En principe, l’efficacité du transfert de charge dépend du couplage de l’énergie laser incidente aux niveaux d’énergie du système substrat-molécule.

Comparés aux substrats SERS basés sur EM, les substrats SERS basés sur CM sont généralement constitués de matériaux bidimensionnels comprenant des oxydes semi-conducteurs, des carbures métalliques et du graphène et ses évolutions, qui ont des capacités d’amélioration du signal plus faibles. Cependant, les avantages du substrat SERS à base de CM, tels qu’une spécificité, une homogénéité et une biocompatibilité élevées, ont attiré l’attention des chercheurs.

Il a été démontré que l’efficacité du transfert de charge entre le substrat et la molécule sonde peut être optimisée et que l’accordabilité du substrat peut être améliorée au moyen de l’ingénierie du changement de phase et du dopage élémentaire. Cependant, les techniques existantes sont difficiles et irréversibles à moduler, ce qui limite quelque peu l’application des substrats SERS basés sur CM. Par conséquent, la manière de réaliser la régulation flexible et réversible du couplage de niveau d’énergie du système substrat-molécule reste à explorer plus en détail.

Les auteurs de un nouvel article Publié dans Avancées opto-électroniques introduire une nouvelle stratégie pour moduler de manière flexible et réversible l’amélioration chimique du SERS basée sur l’effet ferroélectrique, réalisant ainsi la détection universelle ultra-sensible de molécules avec différentes structures de bande à différentes longueurs d’onde d’excitation. Dans les matériaux ferroélectriques, la charge nette induite par l’empilement polaire est passivée par la reconstruction de surface, les charges mobiles et les matériaux adsorbés, ce qui permet de moduler la structure électronique des matériaux bidimensionnels à leurs surfaces.

La modulation à grande échelle du niveau de Fermi de l’oxyde de graphène adsorbé en surface a été obtenue pour la première fois en contrôlant la direction de polarisation du niobate de magnésium et de titanate de plomb ferroélectrique (PMN-PT). En utilisant la microscopie à force de sonde Kelvin, les positions précises des niveaux de Fermi d’oxyde de graphène peuvent être obtenues.

Lorsque la direction de polarisation du PMN-PT est vers le bas, le niveau de Fermi d’oxyde de graphène est modulé pour se rapprocher du HOMO de la rhodamine 6G (R6G), ce qui améliore efficacement l’efficacité de couplage du niveau d’énergie du système à l’énergie laser incidente (532 nm). et optimise la résonance du transfert de charge photo-induit (PICT), améliorant ainsi encore le signal SERS (Fig. 1).

Le déplacement du pic Raman de la bande G indique un changement dans la densité de charge de l’oxyde de graphène, tandis que le déplacement du pic d’absorption UV prouve l’interaction de transfert de charge. De plus, la modification de la température peut réguler davantage la force de polarisation du PMN-PT, obtenant ainsi une modulation flexible et réversible du niveau de Fermi d’oxyde de graphène, avec une sensibilité de détection multipliée par 102.

Sur cette base, pour vérifier l’universalité de l’effet ferroélectrique pour la modulation de l’amélioration chimique lors de la détection SERS, les chercheurs ont également étudié trois molécules sondes possédant différentes structures de bandes, à savoir le violet cristallin (CV), le bleu de méthylène (MB) et le p-nitrothiophénol. (PNTP). Il a été constaté que les signaux SERS des trois molécules pouvaient également être optimisés en ajustant la direction de polarisation ou la force de polarisation du PMN-PT.

Contrairement au CV et au MB, pour le PNTP, le niveau d’énergie du système peut être mieux couplé à l’énergie laser incidente (532 nm) lorsque la direction de polarisation du PMN-PT est ascendante, ce qui conduit à une optimisation efficace de son signal SERS. Par conséquent, le niveau de Fermi de l’oxyde de graphène peut être ajusté de manière flexible et réversible sous différentes directions de polarisation ferroélectrique et forces de polarisation, et la détection SERS hautement sensible de molécules avec différentes structures de bande a été réalisée sur la base du même substrat SERS, ce qui résout efficacement l’universalité. problème des substrats SERS basés sur CM.

Cette méthode fournit une nouvelle idée pour la préparation et l’application de substrats de diffusion Raman à surface améliorée, basés sur des mécanismes d’amélioration chimique, qui devraient être étendues à d’autres matériaux de faible dimension.