Development of Advanced Substrates for Surface-Enhanced Raman Scattering using the Template Technology
Final Report Abstract
Ramanspektroskopie dient der Identifizierung und Charakterisierung von Materialien. An Oberflächen von bestimmten Edelmetallen kann es zu einer so hohen Verstärkung des Raman-Effektes kommen, dass einzelne Moleküle nachgewiesen werden können. In diesem Projekt wurden drei unterschiedliche Substrate für die Analyse von stark verdünnten Farbstofflösungen mittels oberflächenverstärkter Ramanspektroskopie entwickelt. Für die Herstellung der Substrate wurden zwei Arten von Nanoschablonen (Templates) aus anodisiertem Aluminium eingesetzt: Freistehende Membrane und dünne Filme auf Siliziumsubstraten. Die nanoporösen Template wurden elektrochemisch mit Silber und Gold-Nanodrähten gefüllt. Durch geeignete Wahl der Herstellungsbedingungen konnte die Topologie der Nanodrähte von glatt bis rau/porös bzw. verzweigt beeinflusst werden. Ein weiteres Substrat wurde zum Vergleich aus Titanoxid-Silber-Nanokompositen mittels Sol-Gel-Verfahren hergestellt. Hier konnten die Größe der Nanoteilchen und die Lücken zwischen Ihnen durch die Länge der Belichtungszeiten eingestellt werden. Es hat sich gezeigt, dass nicht glatte und gut geordnete Nanodrähte sondern solche mit verzweigten Nanostrukturen und poröse mit unregelmäßigen Spitzen ausgestattete Nanodrähte eine erhebliche Auswirkung auf die SERS-Aktivität haben. Anstelle von Zylinderformen, bei denen Länge, Breite, Abstand und Anordnung eingestellt werden können, eröffnen sich sehr viel mehr Möglichkeiten zur optimalen Einstellung der Eigenschaften. Eine mit Nanozweigen aus Silber bedeckte Oberfläche kann als ein Substrat vorgestellt werden, das einen sehr hohen Verstärkungsfaktor von ca. 1011 bietet. Auf diesem Material konnte reproduzierbar der Farbstoff Rhodamin (R6G) in einer Konzentration von nur 10-15 M (1 femto Mol) nachgewiesen werden. Frei stehende Nanostäbe aus Gold und Silber, mit unregelmäßigen Spitzen, bilden ein für Anwendungen viel robusteres Substrat immer noch sehr guten Verstärkungsfaktoren für R6G von ca. 109 für Gold und 2x1010 für Silber. Der hohe Verstärkungsfaktor von freistehenden Goldnanodrähten ist in dieser Hinsicht sehr interessant, da Goldsubstrate gegenüber Silber den großen Vorteil der chemischen Stabilität haben. Die Substrate aus freistehenden Goldnanodrähten können für weitere Anwendungen, wie z.B. als plasmonische Sensoren, zum Ankoppeln von Antikörpern in der Molekularbiologie etc., eingesetzt werden. Silber-Nanoteilchen in und auf einer Schicht aus Titandioxid lassen sich durch Bestrahlung mit Licht strukturieren und bilden Arrays von SERS-Substraten. Dadurch können nach Bedarf mehrere Stoffe nacheinander, z.B. automatisiert, untersucht werden. Durch die im Rahmen des Projektes entwickelten Verfahren zur Herstellung von Templaten und Nanomaterialien wurden die Grundsteine für eine Reihe von weiteren Entwicklungen und Anwendungen gelegt. Über die nachgewiesene extrem hohe SERS-Aktivität hinaus eröffnen vor allem die „on-substrate“ Verfahren die Möglichkeit für eine Vielzahl von zukünftigen Projekten am Querschnitt zwischen Materialwissenschaften, Life Science und Energie. Dazu zählen Nanostrukturen-Arrays für die Bioanalyse durch lokalisierte Oberflächenplasmonen, strukturierte Substrate mit hoher spezifischer Oberfläche für Gassensoren (z.B. poröse Pt/Pd Nanostrukturen als Wasserstoffsensoren bei niedrigen Temperaturen) und für die Elektrokatalyse von Methanol, etc. (poröse Pt bzw. Pt-Ru Nanodrähte). Weitere künftige Arbeiten sollen sich mit der Herstellung von „on-substrate“ Nanodrähte und Nanoröhrchen aus Halbleiteroxiden sowie Heterostrukturen desselben mit Edelmetall für Anwendungen in Katalyse und Farbstoffsolarzellen. Die im Rahmen dieses Projektes erzieltes Ergebnis, dass raue und nicht glatte Strukturen die höchsten SERS-Verstärkungsfaktoren zeigen, ist noch nicht theoretisch ganz verstanden. Zukünftige Arbeiten werden sich mit theoretischen Modellen und Simulationen der elektromagnetischen Felder an solchen Strukturen beschäftigen.
Publications
- Brookite formation in TiO2 Ag nanocomposites and visible-light-induced templated growth of Ag nanostructures in TiO2, Advanced Functional Materials 20, 2010, 377–385
Mohammed Es-Souni, Martha Es-Souni, Salah Habouti, Nicole Pfeiffer, Abdelilah Lahmar, Matthias Dietze, Claus-Henning Solterbeck
- On-substrate, self-standing Au-nanorods arrays showing morphology controlled properties, Nano Today, 2010
Salah Habouti, Mária Mátéfi-Tempfli, Claus-Henning Solterbeck, Martha Es-Souni, Stefan Mátéfi-Tempfli, Mohammed Es-Souni
(See online at https://doi.org/10.1016/j.nantod.2010.11.001) - Synthesis of silver nano-fir-twigs and application to single molecules detection, Journal of Materials Chemistry, 2010, 20, 5215–5219
Salah Habouti, Claus-Henning Solterbeck and Mohammed Es-Souni
