半导体SERS的发展历程和不同种类半导体材料的设计策略

简介

表面增强拉曼散射 (SERS) 是一种光谱技术，它利用基底材料放大表面分子的拉曼振动信号，实现原位高灵敏度检测。提供痕量分子的指纹信息。近年来，除了Au、Ag、Cu等金属衬底外，半导体材料也被证明具有SERS活性，这与半导体-分子二元体系中电荷传输引起的化学增强密切相关。本文从电荷传输的角度总结了半导体SERS的发展历史和不同类型半导体衬底材料的设计策略，深入分析了半导体SERS在医药、催化、能源等领域的独特应用优势（图1）。 1）.

图 1 SERS 中的电荷传输：基板和应用

半导体SERS的独特增强机制

表面的拉曼信号增强

SERS衬底主要来自两种效应，即以表面等离子共振为主的电磁增强（EM）和界面电荷传输引起的化学增强（CM）。对于成分和结构丰富的半导体材料，SERS效应与电荷传输过程密切相关，材料体系涉及石墨烯/类石墨烯材料、过渡金属氧化物、有机共轭分子及配合物等。

丰富的半导体基板材料体系

虽然不同的半导体衬底材料遵循不同的设计策略，但它们都具有高效电荷传输的特点。例如，二维材料石墨烯的 SERS 性能可以通过表面氧化处理和尺寸减小来提高。对于氧化钨、氧化钼等各种过渡金属氧化物，氧空位缺陷调制是赋予其SERS性能的因素之一。是一种通用的方法（图2）；化学成分极其丰富的金属-有机骨架材料，以共轭有机分子为底物，可以通过化学结构定制实现SERS对特定分子的选择性检测；另外，两种-三维材料的界面范德华异质结和金属与半导体之间的肖特基势垒也可以作用于界面电荷传输，从而优化复合材料的SERS性能。

图2 过渡金属氧化物SERS衬底

半导体SERS的新应用领域

与金属材料相比，半导体具有丰富的光电化学性质，这几乎都与半导体材料的界面电荷传输有关半导体电化学的应用，这也是半导体衬底的一大特点。因此半导体电化学的应用，半导体 SERS 的应用不再局限于传统的分析领域，尤其是基于界面电荷传输的化学增强机制使得 SERS 有利于材料表面/界面过程的原位检测。例如，精心设计的 SERS 基板已成功应用于癌症筛查、电催化反应过程监测、锂电池电解质中离子溶剂化结构的表征以及半导体表面氧空位缺陷产生动力学的监测（图 1）。原位表征方法，半导体SERS具有广阔的应用前景。

图3 SERS应用领域

总结与展望

近五年来，作为SERS衬底的半导体材料迅速成为研究热点。新兴的SERS衬底材料具有化学增强电荷迁移的共同特点，促进了SERS领域的理论和应用创新。

作为一个新兴领域，半导体SERS研究中的诸多科技问题亟待解决，如进一步提高半导体衬底的检测灵敏度，实现衬底制备的重现性，以及对特定分子的选择性，发展SERS技术在医学、能源、环境领域的表面/界面反应监测中的应用将具有重要的研究价值。