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Unusual Raman Enhancement Effect of Ultrathin Copper Sulfide
Small ( IF 13.0 ) Pub Date : 2023-12-28 , DOI: 10.1002/smll.202306819 Gwangwoo Kim 1, 2 , Du Won Jeong 3, 4 , Geonhee Lee 3 , Suok Lee 5 , Kyung Yeol Ma 1 , Hyuntae Hwang 1 , Seunghun Jang 6 , John Hong 7 , Sangyeon Pak 8 , SeungNam Cha 4 , Donghwi Cho 3 , Sunkyu Kim 9 , Jongchul Lim 9 , Young-Woo Lee 5 , Hyeon Suk Shin 1, 10 , A-Rang Jang 11 , Jeong-O Lee 3
Small ( IF 13.0 ) Pub Date : 2023-12-28 , DOI: 10.1002/smll.202306819 Gwangwoo Kim 1, 2 , Du Won Jeong 3, 4 , Geonhee Lee 3 , Suok Lee 5 , Kyung Yeol Ma 1 , Hyuntae Hwang 1 , Seunghun Jang 6 , John Hong 7 , Sangyeon Pak 8 , SeungNam Cha 4 , Donghwi Cho 3 , Sunkyu Kim 9 , Jongchul Lim 9 , Young-Woo Lee 5 , Hyeon Suk Shin 1, 10 , A-Rang Jang 11 , Jeong-O Lee 3
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In surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS), 2D materials are explored as substrates owing to their chemical stability and reproducibility. However, they exhibit lower enhancement factors (EFs) compared to noble metal-based SERS substrates. This study demonstrates the application of ultrathin covellite copper sulfide (CuS) as a cost-effective SERS substrate with a high EF value of 7.2 × 104. The CuS substrate is readily synthesized by sulfurizing a Cu thin film at room temperature, exhibiting a Raman signal enhancement comparable to that of an Au noble metal substrate of similar thickness. Furthermore, computational simulations using the density functional theory are employed and time-resolved photoluminescence measurements are performed to investigate the enhancement mechanisms. The results indicate that polar covalent bonds (Cu─S) and strong interlayer interactions in the ultrathin CuS substrate increase the probability of charge transfer between the analyte molecules and the CuS surface, thereby producing enhanced SERS signals. The CuS SERS substrate demonstrates the selective detection of various dye molecules, including rhodamine 6G, methylene blue, and safranine O. Furthermore, the simplicity of CuS synthesis facilitates large-scale production of SERS substrates with high spatial uniformity, exhibiting a signal variation of less than 5% on a 4-inch wafer.
中文翻译：
超薄硫化铜异常的拉曼增强效应
在表面增强拉曼光谱 (SERS) 中，由于二维材料的化学稳定性和再现性，人们将其作为基底进行探索。然而，与贵金属基 SERS 基底相比，它们表现出较低的增强因子 (EF)。本研究展示了超薄蓝铜硫化铜 (CuS) 作为具有成本效益的 SERS 基底的应用，其 EF 值高达 7.2 × 10 4 。 CuS 基底很容易通过在室温下硫化 Cu 薄膜来合成，其拉曼信号增强程度可与相似厚度的 Au 贵金属基底相媲美。此外，采用密度泛函理论进行计算模拟，并进行时间分辨光致发光测量来研究增强机制。结果表明，超薄 CuS 基底中的极性共价键 (Cu─S) 和强层间相互作用增加了分析物分子与 CuS 表面之间电荷转移的可能性，从而产生增强的 SERS 信号。 CuS SERS 底物展示了对各种染料分子的选择性检测，包括罗丹明 6G、亚甲蓝和番红 O。此外，CuS 合成的简单性有利于大规模生产具有高空间均匀性的 SERS 底物，表现出较小的信号变化。在 4 英寸晶圆上，成本降低了 5% 以上。
更新日期：2023-12-28
中文翻译：
超薄硫化铜异常的拉曼增强效应
在表面增强拉曼光谱 (SERS) 中，由于二维材料的化学稳定性和再现性，人们将其作为基底进行探索。然而，与贵金属基 SERS 基底相比，它们表现出较低的增强因子 (EF)。本研究展示了超薄蓝铜硫化铜 (CuS) 作为具有成本效益的 SERS 基底的应用，其 EF 值高达 7.2 × 10 4 。 CuS 基底很容易通过在室温下硫化 Cu 薄膜来合成，其拉曼信号增强程度可与相似厚度的 Au 贵金属基底相媲美。此外，采用密度泛函理论进行计算模拟，并进行时间分辨光致发光测量来研究增强机制。结果表明，超薄 CuS 基底中的极性共价键 (Cu─S) 和强层间相互作用增加了分析物分子与 CuS 表面之间电荷转移的可能性，从而产生增强的 SERS 信号。 CuS SERS 底物展示了对各种染料分子的选择性检测，包括罗丹明 6G、亚甲蓝和番红 O。此外，CuS 合成的简单性有利于大规模生产具有高空间均匀性的 SERS 底物，表现出较小的信号变化。在 4 英寸晶圆上，成本降低了 5% 以上。
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