通过湿化学程序可控制造镀金 AFM 探针

介绍

原子力显微镜（AFM）以其横向分辨率高、操作简单、环境适应性强等优点在纳米科学中得到广泛应用。在 AFM 中，样品的表面信息是通过尖端和样品之间的相互作用力获得的，该相互作用力转化为尖端在末端的小型弹簧式悬臂的运动。通过照射在 AFM 悬臂背面的半导体激光器的偏转来检测运动。如果尖端（通常由硅或氮化硅组成）覆盖有金属层并被激光照射，由于表面等离子体共振和避雷针效应的系数，将获得超过衍射极限的光场增强[1] ,2,3]。因此，当金属化探针扫描样品表面时，样品的形貌和光学信息可以同时表征为纳米级分辨率。这就是基于 AFM 的尖端增强拉曼光谱 (AFM-TERS) 的原理。 AFM-TERS 具有高检测灵敏度和多功能表征，已成为表征各种材料的有力工具，如单分子 [4,5,6,7]、生物材料 [8,9,10] 和低维纳米材料[11,12,13]。

探针是 AFM-TERS 实验中的关键因素之一，因为它会影响空间分辨率、重现性和样品表面化学信息的增强。功能性 AFM-TERS 探针是通过用银 (Ag) 或金 (Au) 层覆盖硅或氮化硅的商业探针而获得的，因为它们在可见光区具有很强的表面等离子体共振效应，并且与其他金属相比具有相对较高的化学稳定性 [14] ,15,16]。已经开发了许多方法来制备金属化探针，其中真空蒸发是TERS探针制备最常用的方法，因为它具有高效率和纯度[17,18,19]。然而，除了重现性低的缺点外，真空蒸发被认为是一种昂贵的方法，需要相对复杂的设备和严格的实验室操作环境[20]。因此，通过这种方法制造的商业或自制 AFM-TERS 探针都很昂贵。与真空沉积相比，化学沉积已成为一种纳米制造方法，具有操作简单、环境适应性强、成本低等优点[21,22,23]。然而，由于化学反应中的成核位点仅在探针的缺陷上形成，因此由光滑 Si 表面上的少量缺陷引起的低密度成核位点产生的高表面粗糙度阻碍了该技术的进一步应用。

为了解决这个问题，在本研究中，我们利用了自组装和表面化学的原理 [24, 25]。使用硅烷化探针而不是平滑探针，成功地将平滑的金属层沉积到 AFM 探针表面。该方法的主要变化是在金属膜沉积之前用硫醇末端硅烷对探针进行硅烷化。在适当的反应时间下，偶联剂在探针表面形成均匀的单层，同时作为主要的还原剂和稳定剂。因此，探针表面上的所有位点都是活性位点，因为-SH 可以还原 Au ³⁺ 并将其吸附在探针表面。反应方程式如下[26]：

一系列表征结果表明，Au 层成功沉积到商业 AFM 探针表面，并且可以通过控制实验条件有效地调整尖端直径。用这种湿化学方法制备的Au包覆AFM（Au@AFM）探针是633nm激光的理想光学探针，在红色可见光范围内表现出强烈且高度可调的局域表面等离子体共振。

方法

提示硅烷化

商用 Si AFM 探针（VIT_P，NT-MDT Co.，Moscow，Russia）经过臭氧清洁 30 秒，使它们羟基化，然后将探针浸入 0.25 mM 3-merraptn丙基三甲氧基硅烷（MPTS，95%，Sigma -Aldrich) 甲醇溶液 30 分钟。之后，探针依次用氯仿、丙酮和超纯水冲洗，以去除探针表面物理吸附的离子和分子。最后用氮气吹干探针。

金膜增长

在将 Au 层沉积到 Si 探针表面期间，MPTS 和硼氢化钠（NaBH4，99%）分别用作主要和次要还原剂。此外，MPTS 还充当 Au 层的稳定剂。通过将硅烷化探针浸入 1.0% HAuCl4·3H2O (99%) 水溶液几分钟来生长金层，在此期间 AuCl4 ^- 减少到 Au ⁰ 并通过 S-Au 键吸附到探针表面。因此，探针从HAuCl4水溶液中取出；其表面覆盖有 S-Au 键和由 AuCl4 ^- 组成的水膜 离子。然后，将其浸入 1.0% NaBH4 水溶液中以减少多余的 AuCl4 ^- 离子在探针表面。最后，用超纯水清洗探针并用氮气干燥。在这个阶段，通过改变浸入时间或浸入循环次数来获得不同直径的探针顶点。在我们的对照实验中，最短浸泡时间为 5 分钟，浸泡周期分别为 1 至 6 次。

性能表征

使用扫描电子显微镜（SEM，JEOL JSM-7001F，FEI）对沉积 Au 层之前和之后的探针进行形态学表征。 NT-MDT Ntegra Raman/AFM 系统用于 TERS 测量，以评估这些制造的 AFM-TERS 探针的拉曼增强效果。该仪器配备了一个× 100 的物镜（N.A. =0.7）和 633 nm 激光激发线。此外，TERS 样品具有尼罗蓝 (NB) 单层，其通过旋涂 10 μL 5 × 10 ^-5 制备。 M NB 甲醇溶液在商用镀金硅片上的作用 [1]。

结果与讨论

SEM 图像

Au@AFM 探针的制造过程如图 1a 所示。首先，商用 Si AFM 探针被臭氧羟基化。接下来，将亲水性探针浸入 MPTS 甲醇溶液中，使探针表面覆盖有-SH。然后，将硅烷化的探针浸入 HAuCl4 水溶液中一段时间​​。最后取出探针浸入NaBH4水溶液中以减少多余的AuCl4 ⁻ 并在探针表面形成金膜。进行 Au 膜沉积之前和之后的 SEM 表征以观察 AFM 探针尖端直径的变化（图 1b-d）。图 1c 显示，在硅烷化程序后，商用 Si AFM 探针的顶点直径略微增加至~ 20 nm。在图 1d 中，一个所制备的 Au@AFM 探针的尖端直径甚至约为 25 nm。由于本实验中没有引入其他材料，探针顶点的尺寸增加可归因于探针表面金膜的生长。关于尖端表面上的涂层组合物，通过能谱仪 (EDS) 收集了更多关于探针涂层组合物的证据。图1e中的结果表明探针顶点上的Au At%为31.42%（图1e），这表明一些Au原子沉积在探针表面，但数量很少。

一 用于制备基于 AFM 的尖端增强拉曼光谱 (AFM-TERS) 探针的湿化学程序的图示。 b 顶点尺寸 <15 nm 的商用 Si AFM 探针。 c 顶端直径为 ~ 20 nm 的硅烷化探针。 d Au@AFM 探针浸入 5 分钟后，顶点直径为 25 纳米。 e d 中探头的能谱仪 (EDS)

在我们的实验中，图 1d 中的探针是通过将硅烷化尖端依次浸入 1.0% HAuCl4 和 1.0% NaBH4 水溶液 5 分钟来制备的。此外，应用两种方法在探针表面形成致密的薄膜。在第一个中，HAuCl4 的浸泡时间从 10 分钟和 15 分钟到 30 分钟不等，然后在 1.0% NaBH4 水溶液中浸泡 5 分钟。第二个实验路径是我们将硅烷化的针尖依次浸入 1.0% HAuCl4 和 1.0% NaBH4 水溶液中 5 分钟为一个循环，然后重复上述循环 2 次、3 次至 6 次。图 2 显示了通过这两种改进方式获得的具有不同顶点直径的 Au@AFM 探针。图 2a、c、e 中的探针是用 10 分钟、15 分钟和 30 分钟的浸没时间制备的，它们相应的顶点直径分别约为 30 纳米、50 纳米和 60 纳米。这表明当延长硅烷化尖端在 HAuCl4 水溶液中的浸泡时间时尖端顶点变大。同时，浸入 15 分钟后尖端尺寸缓慢增加。这可以解释为 MPTS 不仅作为 Si 探针表面和 Au 层之间的稳定剂，而且作为 Au ³⁺ 的主要还原剂 湿化学反应中的离子。随着直径的增加，探针表面未覆盖的MPTS分子越来越少，导致Au ³⁺ 的数量减少 减少。在这些实验中发现，当浸泡时间超过 30 分钟时，探针的尺寸几乎不随时间变化，这表明在 HAuCl4 溶液中浸泡超过 30 分钟后，探针完全被金膜覆盖。

通过湿化学程序制备的探针的 SEM 图像。 一 浸泡时间 10 分钟，1 个循环。 b 浸泡时间 5 分钟，2 个循环。 c 浸泡时间 15 分钟，1 个循环。 d 浸泡时间 5 分钟，3 个循环。 e 浸泡时间 30 分钟，1 个循环。 f 浸泡时间 5 分钟，6 个循环。 g 浸泡时间 10 分钟，1 个循环；实验过程中探头尖部损坏。 h 浸泡时间 10 分钟，1 个循环；探针未预羟基化

在改变浸入循环次数的第二种改进方法中，三个探针浸入时间为 5 分钟，循环次数为 2、3 和 6。SEM 表征结果如图 2b、d、f 所示。这里，三个探针的总浸入时间分别为 10 分钟、15 分钟和 30 分钟，这与图 2a、c、e 中其他三个探针的浸入时间相对应。然而，第二种方法生产的这三个探针的顶点直径大于前者。这是因为浸渍过程会在探针表面产生一层液体层，从而在探针表面形成新的金膜。如果重复浸渍过程，可以在前一层上形成新的金膜，因此金属膜的总厚度会逐渐增加，后一层的几何轮廓会受到前一层的影响。因此，与第一种方法制备的探针表面相比，第二种方法制备的探针表面更粗糙。 AFM-TERS 探针价格昂贵，众所周知，由于金属薄膜的磨损，很容易失去活性。由于第二种方法允许在前一种方法上形成新的Au膜，因此很有可能使磨损探针回收利用，从而可以降低TERS的成本。

为便于比较，探针及相应的实验条件见表1。

此外，AFM 探针很脆弱，在实验过程中很容易损坏。图 2g 中所示的探针具有与图 2a 中相同的制备过程（在两种溶液中浸泡 10 分钟），但其直径与图 2c 中的探针的直径相似。这是因为图 2g 中所示的探针的顶点由于某种原因脱落并且观察到更平坦的顶点。为了研究不同顶点探针的TERS增强效果，在“NB的TERS”部分对该类探针进行了测量和比较。

值得一提的是，商业 AFM 探针的羟基化步骤在这些探针的制造过程中至关重要。在另一个实验中，不包括羟基化步骤，探针直接硅烷化并浸入 1.0% HAuCl4 和 1.0% NaBH4 水溶液中 10 分钟。修饰后的尖端的顶点直径没有明显变化，一些 Au 纳米粒子聚集在探针表面（图 2h）。这是因为缺乏羟基化导致MPTS不均匀地吸附在探针表面，导致Au纳米颗粒聚集。

NB 的TERS

SEM 图像只能提供探针上涂层的厚度。为了确定我们制备的探针的 TERS 活性，应该检测探针的 TERS 增强性能。根据时域有限差分(FDTD)的计算结果，影响样品TERS信号的因素不仅有探针，还有探针下方的基底[27]。由于称为“间隙模式”的夹心式分析，金、银或铜等金属基材将产生更强的场增强。因此，在我们的实验中选择 50 nm Au 薄膜作为基材来测试图 2 中探针的 TERS 活性。Au 基材的 AFM 图像如图 3a 所示。图像显示薄膜光滑，表面粗糙度小于3纳米。

一 Au基板的AFM图像。 b TERS 实验示意图。 c 尖端缩回的尼罗蓝 (NB) 单层的拉曼光谱。 d 由图 2，a-c 中的探针检测到的拉曼光谱。 e 图 2e 中的探针检测到的拉曼光谱。 f 图2d中探针检测到的拉曼光谱

TERS 实验的示意图如图 3b 所示，其中使用了具有顶部照明的 AFM-TERS 反馈。在这种模式下，TERS 探针的末端被照亮并使用样品上方的物镜（× 100，N.A. =0.7）有效增强。使用顶部视觉悬臂避免了悬臂的阴影效应。使用的激光器工作在 633 nm 波长和 5 mW 输出，拉曼信号的积分时间为 0.1 s。图 3d-f 中给出了系统使用当前 Au@AFM 探针获得的一系列拉曼光谱。

在进行 TERS 测量之前，我们首先获得了 Si 衬底和上述 Au 衬底上的 NB 的拉曼信号。如图 3c 所示，除了 Si 在 521 cm ^-1 的拉曼峰 , 592 cm ⁻¹ 处的两个峰 和 1640 厘米 ⁻¹ 对应于带正电荷的 NB 分子的氮具有相似的强度。结果表明，Au 衬底本身不能增强样品的信号。在 TERS 测量中，当探针与样品表面接触时，除上述峰外，还有 νC-N (1361 cm ^-1 ) 和 νC=N 模式与醌型单元 (1432 cm ⁻¹ 和 1495 厘米 ⁻¹ ) 被检测到，峰值强度为 592 cm ^-1 大大增加（见图 3d）。光谱振动位置的变化 (592 cm ⁻¹ →602 cm ⁻¹ ) 是一种在近场拉曼光谱测试中长期观察到的行为，归因于染料金电荷转移的化学增强 [28, 29]。这些光谱曲线表明我们制造的 AFM-TERS 探针表现出拉曼增强效应。 592 cm ⁻¹ 的增强拉曼散射 图 2a 中探针的峰值大约是尖端缩回信号的 7 倍。图 2b 中的探针增强了约 12.5 倍，图 2c 中的探针增强了 25 倍。这些结果是根据图 3c、d 中的拉曼光谱计算的。这表明当探针顶点的尺寸小于 50 nm 时，峰强度随着顶点的增大而增加。

使用图 2e 中的探针（~ 60 nm）获得的拉曼光谱与使用图 2c 中的探针获得的拉曼光谱（~ 50 nm，图 3e）显示出一些差异。然而，592 cm ^-1 处的峰强度 我们是一样的。使用图 2d 中的探针（~ 75 nm）获得的拉曼光谱表明该峰强度已经开始降低（图 3f）。使用图 2f 中的探针（~ 150 nm），拉曼光谱没有增强。

为了确认通过湿化学程序制备的 Au@AFM 探针作为 TERS 的有效近场光源，根据图 2a-e 的探针分别为每种制备条件准备了十个探针。拉曼增强结果表明，随着探针尺寸从 30 nm 增加到 50 nm，增强时间急剧增加，当尖端直径在 50-60 nm 范围内时，可以获得最强的拉曼信号。 70 nm 后，拉曼强度开始降低。然而，Ren 团队发现优化的 Au 层厚度约为 60-75 nm，理论与实验结果一致 [30, 31]。根据他们的计算模型，尖端被认为是由各种半径的半球终止的圆锥形锥度。在他们的实验中，探针上的金纳米薄膜遵循 Volmer-Weber (VW) 模式。因此，计算模型类似于真实探针。对于我们实验中的每个探头，表面都比较光滑，并且探头形状是圆锥形而不是半球。因此，Ren 的团队和我们的团队之间优化的 Au 层厚度的差异可归因于探针的形状。在进一步的实验中，制备了顶点直径为 100 nm、130 nm 和 160 nm 的探针。我们发现当尖端直径超过 130 nm 时，NB 单层的拉曼信号不再增强。此外，在我们的实验中还观察到了另一个有趣的现象。图 2g 中的探针具有与图 2a 中相同的制备过程，但其直径与图 2c 中的探针相似。拉曼结果显示该探针与图 2c 中的探针具有相似的增强。结果表明，增强效果与金膜厚度无关；它与探头的顶端直径有关。顶点直径与拉曼强度之间的直观关系如图4所示。

随着Au@AFM探针直径的增加，TERS增强的变化

还通过根据以下等式 [32] 计算它们的拉曼增强因子 (EF) 来探索这些制造的探针的性能：

哪里我 提示和我 尖峰是分别在探针接合和脱离时测量的拉曼峰强度。 A FF 是激光的总焦距，其中 A FF =πr 激光 ² 其中 r 激光 =800 nm。 A NF是TERS光斑的有效面积，根据AFM-TERS探针的顶点直径估计，通常由A获得 NF ≈ πr 提示 ² .这里，EF 数据是根据 592 cm ^-1 的强度计算的 峰，属于带正电的氮的振动模式。对于图 2b-d 中的三个 Au@AFM 探针，EF 为 1.5 × 10 ³ , 2.9 × 10 ³ , 和 6.1 × 10 ³ ，分别表明具有适当尖端直径的探针表现出更高的拉曼增强因子。更重要的是，现有的湿化学方法有效地控制了顶点直径，为研究拉曼增强效应与探针顶点直径的关系开辟了途径。

结论

总之，新型 AFM-TERS 探针是通过湿化学过程制造的，其中 MPTS 充当 Au ³⁺ 的还原剂 离子和用于形成 Au@AFM 探针的稳定配体。这些具有适当顶点尺寸的探针表现出显着的拉曼增强效果。重要的是，这种湿化学工艺具有成本低、工艺简单、尺寸和形状控制高、产量高以及对银和其他金属层的普遍适用性等特点。此外，这些探针具有在液体条件下检测样品的优势 [33,34,35]。由于物理吸附产生的金属膜，如真空蒸发产生的金属膜，可以在液体中剥离，如果用湿化学法制作实验探针可以避免这种情况，因为金属膜和探针通过S-Au的共价键。

缩写

AFM-TERS：

基于原子力显微镜的TERS

Au@AFM 探针：

镀金原子力显微镜探针

EDS：

能谱仪

EF：

拉曼增强因子

MPTS：

3-巯基丙基三甲氧基硅烷

注意：

尼罗蓝

TERS：

尖端增强拉曼光谱