基於半導體涉及電荷轉移的SERS及其增強機製研究 楊立濱 9787811297270 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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楊立濱 著

圖書標籤:

• SERS
• 錶麵增強拉曼散射
• 電荷轉移
• 半導體
• 增強機製
• 拉曼光譜
• 納米材料
• 光譜學
• 材料科學
• 物理化學

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齣版社： 黑龍江大學齣版社有限責任公司

ISBN：9787811297270

商品編碼：29384125854

包裝：平裝

齣版時間：2014-07-01

基本信息

書名：基於半導體涉及電荷轉移的SERS及其增強機製研究

定價：30.00元

作者：楊立濱

齣版社：黑龍江大學齣版社有限責任公司

齣版日期：2014-07-01

ISBN：9787811297270

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頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

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內容提要

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本書主要包括Au/ZnO/PATP組裝體中ZnO對電荷轉移誘導錶麵增強拉曼散射的貢獻、TiO2納米粒子作為SERS基底及其增強機製研究、錶麵增強拉曼散射研究4-MBA分子在TiO2納米粒子上的吸附行為、Zn摻雜對納米TiO2錶麵增強拉曼散射性能的影響等幾部分內容。

目錄

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作者介紹

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楊立濱，佳木斯大學教師。

文摘

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序言

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書名： 基於半導體涉及電荷轉移的SERS及其增強機製研究 作者： 楊立濱 ISBN： 9787811297270 圖書簡介 本書深入探討瞭錶麵增強拉曼散射（SERS）技術在半導體材料中的應用，特彆聚焦於涉及電荷轉移的SERS增強機製。通過對半導體材料結構、性質以及與金屬納米結構相互作用的細緻分析，本書揭示瞭電荷轉移在SERS信號放大過程中的關鍵作用，並在此基礎上闡述瞭多種增強策略。本書不僅梳理瞭該領域的理論基礎和前沿進展，還結閤瞭作者在實驗研究中的寶貴經驗，為讀者提供瞭一個全麵而深入的視角，以理解和掌握半導體基SERS的原理和應用。 第一章 導論 錶麵增強拉曼散射（SERS）作為一種極其靈敏的光譜技術，能夠顯著放大分子在金屬納米結構錶麵的拉曼散射信號，其靈敏度可以達到單分子水平。這一特性使得SERS在痕量分析、化學傳感、生物檢測等眾多領域展現齣巨大的應用潛力。然而，傳統的SERS研究主要集中在金屬納米結構本身，而近年來，將半導體材料引入SERS體係，特彆是利用其獨特的電子和光學性質，已成為SERS研究的一個新興且活躍的方嚮。 半導體材料因其可調的能帶結構、豐富的載流子行為以及與光場的強相互作用，能夠為SERS提供額外的增強機製，並拓展SERS的應用範圍。特彆地，當半導體材料與金屬納米結構（通常是SERS的活性基底）結閤時，可以産生復雜的界麵電子過程，其中電荷轉移（Charge Transfer, CT）起著至關重要的作用。這種電荷轉移過程能夠進一步耦閤到SERS信號中，帶來比純粹的電磁增強（Electromagnetic Enhancement, EE）更顯著的信號提升，甚至在某些情況下成為主要的增強來源。 本書旨在係統性地梳理和探討基於半導體涉及電荷轉移的SERS現象及其增強機製。我們將從SERS的基本原理齣發，詳細介紹半導體材料的特性及其在SERS體係中的角色，並著重闡述電荷轉移增強機製的微觀過程。通過對相關理論模型和實驗證據的深入剖析，本書將幫助讀者理解半導體基SERS的獨特優勢，以及如何通過設計和優化材料體係來實現高性能的SERS應用。 第二章 錶麵增強拉曼散射（SERS）的基本原理 拉曼散射是分子與光子相互作用的一種非彈性散射現象，其散射光的頻率與入射光頻率存在差異，這種頻率差對應於分子的振動模式。拉曼散射的強度通常非常弱，需要高效的光譜探測技術纔能獲得可用的信號。 SERS技術的核心在於利用金屬納米結構的局域錶麵等離激元（Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR）效應，極大地增強瞭吸附在納米結構錶麵的分子的拉曼散射信號。當入射光頻率接近金屬納米結構的LSPR頻率時，納米結構會産生強烈的電磁場局域增強，使得其近場電磁場強度遠高於入射光場。吸附在強場區域的分子，其拉曼散射信號將隨著近場電磁場的增強而顯著放大，理論上可以達到106-1010量級，甚至更高。 除瞭電磁增強外，另一類重要的增強機製是化學增強（Chemical Enhancement, CE）。化學增強主要源於吸附分子與金屬基底之間發生的電子轉移過程，例如形成電荷轉移復閤物。當分子與金屬錶麵發生電子躍遷時，會改變分子的電子雲分布，從而改變其拉曼散射截麵，導緻信號的增強。化學增強的貢獻通常在101-103量級，但其具體數值與分子的性質、金屬基底的材料以及吸附位點密切相關。 盡管電磁增強是SERS的主要增強機製，但瞭解電磁增強和化學增強的相對貢獻對於設計和優化SERS體係至關重要。近年來，隨著對SERS機理研究的深入，越來越多的研究者開始關注非金屬材料，特彆是半導體材料在SERS中的作用。 第三章 半導體材料在SERS中的作用 半導體材料與金屬材料在電子結構和光學性質上存在顯著差異，這些差異使得半導體在SERS體係中能夠發揮獨特的作用。 3.1 半導體材料的電子和光學性質 半導體材料具有介於導體和絕緣體之間的導電性，其導電性可以通過摻雜或光照等方式進行調控。半導體材料的能帶結構由價帶、導帶和禁帶寬度組成。當光子能量大於半導體的禁帶寬度時，會發生光生電子-空穴對的産生，從而形成載流子。這些載流子能夠參與各種電子過程，為SERS提供新的增強機製。 半導體材料的光學性質與其能帶結構密切相關，它們可以吸收特定波段的光，並産生光緻發光、光電導等現象。此外，半導體的錶麵性質，如錶麵缺陷、錶麵態等，也對其與吸附分子的相互作用産生重要影響。 3.2 半導體與金屬納米結構的復閤 將半導體材料與傳統的SERS活性金屬納米結構（如金、銀納米顆粒）復閤，是構建半導體基SERS體係的主要策略。復閤結構的設計多種多樣，例如： 半導體納米顆粒負載於金屬基底： 將半導體納米顆粒分散或沉積在預先製備好的金屬SERS基底上。 金屬納米顆粒沉積於半導體錶麵： 在半導體材料錶麵製備金屬納米顆粒，形成金屬-半導體異質結。 金屬-半導體核殼結構： 將金屬納米顆粒作為核，其外部包覆一層半導體材料，或反之。 三維金屬-半導體復閤結構： 構建更復雜的結構，如金屬納米綫陣列上生長半導體材料等。 通過這些復閤方式，可以實現半導體材料的電子和光學特性與金屬納米結構的LSPR效應的協同作用。 3.3 半導體對SERS的貢獻 半導體材料在SERS體係中主要通過以下幾種方式提供額外的增強： 電荷轉移（Charge Transfer, CT）增強： 這是本書重點關注的機製。當半導體與金屬納米結構形成復閤體係時，由於兩者費米能級的差異，會發生界麵電荷轉移。這種電荷轉移會在半導體和金屬錶麵形成偶極子，從而産生額外的電場，進一步增強SERS信號。此外，吸附分子也可能通過半導體或金屬作為中間體，與對方發生電荷轉移，改變分子的電子極化率，從而增強拉曼散射。 光生電子-空穴對的參與： 在光照下，半導體材料産生的光生電子和空穴可以參與到SERS過程中。例如，光生電子可以轉移到吸附分子上，改變其電子結構；光生空穴也可以與分子發生氧化還原反應。這些過程都能影響分子的拉曼散射特性。 錶麵態的調控： 半導體錶麵的缺陷和錶麵態可以作為吸附位點，並可能參與電荷轉移過程，從而對SERS信號産生影響。 等離激元誘導的電荷分離： 金屬納米結構的LSPR效應可以有效地激發半導體材料的電子，促進光生電子-空穴對的分離，提高載流子在界麵的有效利用。 第四章 電荷轉移（CT）增強機製詳解 電荷轉移增強機製是理解半導體基SERS的關鍵。它指的是在半導體-金屬復閤體係中，由於電子在組分之間的轉移而引起的SERS信號增強。 4.1 CT機製的微觀過程 CT增強可以發生在多種界麵和狀態下： 金屬-半導體界麵電荷轉移（M-S CT）： 當金屬納米結構與半導體材料接觸時，由於兩者功函數（或費米能級）的差異，會發生電子從功函數較低的材料嚮功函數較高的材料轉移，直到達到熱力學平衡。這種電荷轉移會在界麵形成一個肖特基結或歐姆接觸，並伴隨一個內建電場。當吸附分子位於這個界麵附近時，這個內建電場可以顯著增強分子的極化，從而放大其拉曼散射信號。 半導體-吸附分子間的CT（S-M CT）： 吸附分子可以通過半導體材料作為橋梁，與金屬納米結構發生電荷轉移。例如，電子可以從金屬納米結構通過半導體轉移到吸附分子，或反之。這種電子的轉移會改變吸附分子的電荷密度分布，從而影響其拉曼散射的活性。 金屬-吸附分子間的CT（M-M CT），藉助半導體： 在某些情況下，半導體材料可以促進金屬與吸附分子之間的電荷轉移。例如，半導體可以將金屬納米結構的LSPR效應耦閤到吸附分子上，使分子更容易發生電荷轉移。 光生載流子誘導的CT： 在光照下，半導體産生的光生電子或空穴可以與金屬納米結構或吸附分子發生電荷轉移。例如，光生電子可以從半導體轉移到金屬納米結構，或者從金屬納米結構轉移到吸附分子。 4.2 CT增強的理論模型 為瞭理解和量化CT增強效應，研究者們發展瞭多種理論模型： 偶極子模型： CT過程通常會在界麵或分子周圍形成電荷偶極子。這些偶極子會産生一個局域的電場，該電場可以疊加到金屬納米結構的LSPR場上，進一步增強SERS信號。 量子化學計算： 利用密度泛函理論（DFT）等量子化學計算方法，可以模擬半導體-金屬界麵以及吸附分子與界麵的電子結構。通過計算分子的電荷密度、極化率以及能級結構，可以評估CT過程對SERS信號的貢獻。 半導體光學理論： 結閤半導體材料的光吸收、光生載流子産生和傳輸等理論，可以分析光照對CT過程的影響。 4.3 CT增強的實驗驗證 CT增強可以通過多種實驗手段進行驗證： 改變半導體材料的導電性和帶隙： 通過改變半導體的類型（如TiO2, ZnO, CdS等）、摻雜濃度或晶體結構，可以調控其電子性質和與金屬的界麵行為，從而考察CT對SERS信號的影響。 改變金屬納米結構的LSPR頻率： 使用不同尺寸、形狀和材料的金屬納米結構，以匹配半導體材料的光吸收特性或調控界麵電場的強度。 控製吸附分子的電子性質： 選擇具有不同電子親和勢或電離勢的吸附分子，可以更容易地觀察到CT引起的SERS信號變化。 電化學SERS： 通過電化學手段精確控製半導體-金屬界麵的電勢，可以有效地調控電荷轉移的程度，從而證明CT在SERS增強中的作用。 結閤其他光譜技術： 例如，結閤光電導測量、X射綫光電子能譜（XPS）等，可以更直接地監測界麵電荷轉移過程。 第五章 半導體基SERS的增強策略與優化 為瞭實現更優異的SERS性能，需要對半導體基SERS體係進行精細的設計和優化。 5.1 材料選擇與設計 半導體材料的選擇： 根據目標分子的拉曼信號特點、激勵光源的波長以及所需的增強機製，選擇閤適的半導體材料。例如，寬禁帶半導體（如TiO2）適用於紫外-可見光區域，而窄禁帶半導體（如PbS）則適用於近紅外區域。 金屬納米結構的優化： 金屬納米結構的大小、形狀、排列方式以及錶麵等離激元共振頻率，都會影響LSPR增強效應以及與半導體的耦閤效率。 界麵工程： 精心設計金屬-半導體界麵，控製界麵處的電荷轉移效率和界麵態密度，是實現高效CT增強的關鍵。例如，通過選擇閤適的界麵層材料或錶麵處理技術。 5.2 復閤結構的構築 異質結的優化： 構建良好的金屬-半導體異質結，確保電子和空穴能夠有效地在界麵處傳輸和分離。 納米結構的設計： 例如，構建三維多孔金屬-半導體復閤結構，可以提供更大的比錶麵積和更多的吸附位點，從而提高SERS的靈敏度和覆蓋範圍。 量子點的應用： 利用半導體量子點優異的光學和電子特性，將其與金屬納米結構復閤，可以實現新穎的SERS增強模式。 5.3 激發條件與探測技術 光源的選擇： 選擇與金屬納米結構LSPR匹配或能夠有效激發半導體光生載流子的光源。 探測技術的優化： 提高拉曼光譜儀的靈敏度和分辨率，以捕捉微弱的SERS信號，並分辨齣與CT相關的光譜特徵。 第六章 半導體基SERS的應用前景 基於電荷轉移的半導體基SERS技術具有廣泛的應用前景，尤其是在對靈敏度要求極高的領域。 痕量汙染物檢測： 用於檢測水體、土壤和空氣中的痕量有機汙染物、農藥殘留等，具有高靈敏度和高選擇性。 生物傳感： 檢測生物分子（如DNA、蛋白質、病毒）的濃度，用於疾病診斷、藥物篩選等。 食品安全檢測： 檢測食品中的非法添加劑、有毒有害物質等。 催化研究： 作為原位（in-situ）拉曼光譜探針，用於研究催化反應過程中的中間産物和反應機理。 材料科學研究： 用於研究材料錶麵吸附、界麵反應等過程。 第七章 結論與展望 本書係統地探討瞭基於半導體涉及電荷轉移的SERS現象及其增強機製。通過對基本原理、材料特性、增強機製、優化策略以及應用前景的深入分析，本書旨在為讀者提供一個全麵而深入的理解。 未來，該領域的研究將繼續聚焦於以下幾個方麵： 更深入的機理研究： 進一步揭示電荷轉移在不同半導體-金屬復閤體係中的具體過程和影響因素，發展更精確的理論模型。 新型半導體材料的開發： 探索具有更高光電轉換效率、更優異電子特性的新型半導體材料，以及它們在SERS中的應用。 多功能SERS基底的設計： 結閤電荷轉移、錶麵等離激元耦閤以及其他增強機製，設計具有更高靈敏度、更好選擇性、更強穩定性的多功能SERS基底。 拓展更廣泛的應用領域： 將半導體基SERS技術應用於更多新興領域，如環境監測、能源儲存與轉化、生命科學等。 總而言之，半導體基SERS技術，特彆是涉及電荷轉移的增強機製，為SERS的發展注入瞭新的活力，並有望在未來實現更廣泛、更深入的應用。

評分☆☆☆☆☆

我最近剛好在嘗試將 SERS 技術應用於環境監測領域，對信號的穩定性和可重復性要求極高。因此，我對書中關於“器件穩定性”和“長期性能評估”的章節抱有極大的興趣。一個好的研究成果，最終都要經受住時間和環境的考驗。我期望書中能提供一些關於如何通過半導體材料的摻雜、錶麵鈍化或者封裝技術來提高 SERS 基底抗氧化、抗汙染能力的實用經驗和對比數據。如果作者能將這些“工程化”的思考融入到純粹的物理化學討論中，那麼這本書對於緻力於成果轉化的科研人員來說，就具備瞭極高的實操價值。它不再是象牙塔裏的理論探索，而是能夠指導實際産品開發的參考手冊。

評分☆☆☆☆☆

這本書的裝幀和排版雖然樸實，但學術氣息濃厚，這通常預示著內容是經過嚴格同行審議和反復打磨的。我注意到作者在引用文獻時，似乎特彆注重將經典理論與近五年的最新研究成果進行整閤，這對於一本專業書籍來說至關重要，因為它代錶瞭對當前學術前沿的緊密跟蹤。特彆是針對半導體輔助 SERS 中可能齣現的界麵效應和能帶彎麯等復雜現象的探討，我非常好奇作者是如何進行簡化模型構建的。如果能有效地將量子力學層麵的描述，轉化為工程師可以理解的宏觀參數調控，那麼這本書就成功地架起瞭一座連接基礎研究與應用開發的橋梁。期待閱讀後能對如何設計齣更高效率、更具選擇性的新型 SERS 傳感器獲得啓發。

評分☆☆☆☆☆

最近這段時間，我一直在追尋一些關於光電材料與分子光譜學交叉領域的新思路，手頭的幾本參考書都偏嚮於經典理論的重復，缺乏對最新進展的挖掘。因此，當我在書店看到這本聚焦於“半導體”與“SERS”結閤的研究專著時，立刻被吸引住瞭。我尤其關注瞭書中對新型半導體基底製備工藝的討論——比如如何通過精確控製納米結構尺寸來調控等離激元場強，這部分內容似乎非常詳盡。書中不僅提到瞭常見的貴金屬增強體，還深入探討瞭氧化物或硫化物半導體在特定光照條件下的獨特增強效應，這無疑拓寬瞭我們對 SERS 增強機理的認知邊界。我感覺作者在實驗細節的描述上也是下足瞭功夫，不僅僅是給齣結果，更側重於解釋“為什麼”會産生這樣的現象，這種深入的追問，纔是科研工作者真正需要的養分。

評分☆☆☆☆☆

這本封麵設計得相當有質感，深藍色調配上一些閃爍的微粒效果，讓人一眼就能感受到與“半導體”、“電荷轉移”這些高精尖主題的關聯。我本以為這是一本會讓人望而卻步的理論著作，但翻開目錄後，發現結構編排得相當清晰。作者在引言部分似乎花瞭不少篇幅來鋪陳 SERS（錶麵增強拉曼散射）技術在當代分析化學乃至材料科學中的地位，從基礎的物理機製到實際應用的潛力，描述得非常到位，讓人對後續內容的展開充滿瞭期待。特彆是對一些關鍵概念的界定，例如“局域錶麵等離激元共振”與“電荷轉移”這兩種增強機製的相互作用，作者的闡述似乎兼顧瞭深度和廣度，力求讓非本領域專傢也能初步領會其核心思想。總的來說，初步印象是，這本書不僅僅是技術手冊的堆砌，更像是一次對前沿物理化學交叉領域的係統性梳理，對於希望構建紮實理論框架的研究生或青年學者來說，應該是一份非常及時的指南。

評分☆☆☆☆☆

說實話，我更看重的是一本書的邏輯連貫性和對領域發展趨勢的預判能力。這本書的章節布局似乎體現瞭作者深厚的學術功底。從基礎的物理模型建立，到實驗技術的實現，再到最後對應用前景的展望，整個敘事綫索非常流暢，如同一次精心策劃的科研旅程。我注意到其中關於“電荷轉移”機製的深入剖析部分，這往往是 SERS 研究中最難量化、最容易被泛泛而談的部分。如果作者能用清晰的數學語言和直觀的物理圖像來闡釋半導體能級與待測分子能級之間的電子躍遷過程，那麼這本書的價值就不僅僅停留在技術層麵，更能提升到對光與物質相互作用本質的理解層麵。這種對機製深挖的努力，在我看來，遠比簡單羅列各種實驗數據來得更有分量。