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La espectroscopia Raman mejorada en superficie (SERS) es una poderosa herramienta analítica para analizar materiales plasmónicos 2D en puntos críticos. Además, los puntos de acceso en SERS son críticos, ya que son los sitios de campos electromagnéticos (EM) locales intensos y contribuyen en parte a la intensidad general de SERS.
Estudio: mejora de los espectros Raman mediante el acoplamiento de plasmones y excitones para monocapas de MoS2 de gran superficie. Crédito: ogwen/Shutterstock.com
Un artículo publicado en la revista Applied Surface Science informó la mejora de la señal Raman a través del acoplamiento de plasmones y excitones entre sulfuro de molibdeno monocapa de área grande (MoS2) y nanoranuras plasmónicas (NG). En lugar de la mejora de SERS, el acoplamiento de excitón de plasmón mejoró la señal Raman en la longitud de onda de excitación.
Se utilizaron NG espectralmente sintonizables para estudiar amplificaciones acopladas y desacopladas cuyo rendimiento se estudió mediante amplificación en el campo EM. Por lo tanto, el presente trabajo demostró las aplicaciones potenciales de materiales incorporados en nanoestructuras bidimensionales (2D) atómicamente delgados que exhiben señales Raman uniformes en nanofotónica y ciencia de materiales.
Técnicas analíticas para mejorar la señal Raman
La espectroscopia Raman es una técnica de análisis químico no destructivo que proporciona información detallada sobre la estructura química, el polimorfismo, la cristalinidad y las interacciones moleculares. Se basa en la interacción de la luz con los enlaces químicos dentro de un material.
SERS es una técnica sensible que mejora la dispersión Raman de moléculas soportadas por algunos materiales nanoestructurados. Bajo la mejora del campo EM, los plasmones de superficie localizados proporcionan «puntos calientes» que amplifican las señales Raman.
La espectroscopia de resonancia Raman (RRS) es una técnica avanzada para estudiar bandas vibratorias en el rango de frecuencia de grupo. La información obtenida es similar a la obtenida a partir de los estudios Infrarrojo por Transformada de Fourier (FTIR) y Raman.
En RRS, cuando la longitud de onda de excitación coincide con la transición excitónica o está cerca de la banda de absorción del analito, la señal Raman aumenta, aumentando así la sensibilidad y la selectividad. Sin embargo, RRS depende en gran medida de la longitud de onda de excitación, lo que limita los analitos en la espectroscopia Raman.
Mientras que SERS proporciona una mejora de la señal superior a las técnicas Raman convencionales, la espectroscopia Raman de resonancia mejorada en la superficie (SERRS) produce una mejora de la señal química aún mayor a través del acoplamiento entre los plasmones y la resonancia de excitón molecular.
Cuando la tasa de intercambio de energía (g) en un sistema acoplado es más rápida que los términos de relajación de los polaritones y los excitones, se produce un fuerte acoplamiento entre los polaritones y los excitones. El sistema acoplado polaritón-excitón requiere una tasa de intercambio de energía, 2GRAMO mas grande que gramo y ĸ (γ y ĸ corresponden a la tasa de dispersión del emisor o pérdida de cavidad) para la energía que circula entre la luz y la materia.
La nanofotónica investiga el comportamiento de la luz a escala nanométrica y las interacciones de los objetos de tamaño nanométrico con la luz. La nanofotónica a menudo involucra componentes metálicos que pueden transportar y enfocar la luz a través de polaritones de plasmones superficiales.
MoS2 es un material 2D con una estructura en capas de hexágonos compuesto de átomos de molibdeno (Mo) y azufre (S) unidos covalentemente. Las propiedades ópticas y electrónicas superiores hacen que el MoS ultrafino2 atractivo para aplicaciones optoelectrónicas de baja potencia.
Con el rápido desarrollo de varios MoS ultrafinos2-dispositivos basados en, la caracterización de propiedades únicas y métodos de identificación simples de MoS atómicamente gruesos2 Los copos tienen una gran demanda. La espectroscopia Raman, una poderosa herramienta de caracterización no destructiva, se utilizó para estudiar varias estructuras cristalinas de MoS2.
Mejora de los espectros Raman mediante el acoplamiento de plasmones y excitones
En el presente trabajo, molibdato de sodio fundido (Na2Bajo4) se usó como precursor y se distribuyó uniformemente en la película mediante el método de deposición química de vapor (CVD). El MoS de una sola capa resultante2 Se usaron películas como analitos para estudiar cuantitativamente la potenciación de la señal Raman.
Si bien la mayoría de los trabajos anteriores sobre SERRS se ocuparon de las moléculas, en el presente estudio, los materiales 2D basados en dicalcogenuro de metales de transición (TMDC) se eligieron como objetivos del sensor debido a su grosor atómico y sus propiedades homogéneas intrínsecas. MoS a gran escala2 Se usaron monocapas como plantillas para cuantificar la mejora de la señal Raman.
Cuando la resonancia del plasmón superficial se ha emparejado con la resonancia del excitón, se puede ver un anticruzamiento característico, lo que indica un acoplamiento fuerte o intermedio. Además, la resonancia del plasmón superficial se puede ajustar cambiando la profundidad, el ancho y el período de los NG de oro (Au). Así que el MoS 2D2 se integró en NG de oro (Au) unidimensional (1D) para lograr el acoplamiento plasmón-excitón.
En contraste con estudios previos que solo se enfocaban en el efecto SERS, en el presente trabajo la resonancia plasmónica fue diseñada para acoplarse con MoS2 excitones en lugar de la longitud de onda de excitación. Además, se estudiaron muestras acopladas y desacopladas para analizar cuantitativamente las ganancias Raman. Por lo tanto, los resultados del presente trabajo investigaron puntos calientes acoplados de plasmón-excitón, incluidas moléculas de baja concentración y nanomateriales de baja dimensión.
Conclusión
En general, los NG plasmónicos integrados en material 2D proporcionaron una plataforma sólida para mejorar las señales Raman. Análisis cuantitativo de la mejora de 80 veces de la señal Raman en comparación con la señal de MoS2 en una película plana de Au a una longitud de onda de excitación de 532 nanómetros confirmó la mejora del campo EM inducido por el acoplamiento excitón-plasmón.
Además, se introdujeron factores que afectan la mejora del campo EM para explicar la mejora de la señal Raman inducida por el acoplamiento plasmón-excitón. Además, la muestra que se muestra en el presente trabajo tiene un gran potencial en nanofotónica y ciencia de superficies.
Relación
Yu, MWe et al. (2022). Mejora de los espectros Raman mediante el acoplamiento de plasmones y excitones para MoS a gran escala2 monocapas. Ciencia de superficies aplicada. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433222022954?via%3Dihub
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