表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman Scattering, SERS)是一种无损、超灵敏的光谱技术，在生物医学^[1-4]、食品安全^[5-6]、环境监测^[7-8]等领域有着广泛的应用。理想的SERS基底需要具备显著的信号增强、热点均匀、基底性能稳定和易于制备等特点。SERS增强的主要原因是电磁(Electromagnetic, EM)增强^[9]，与局域电场强度四次方成正比。由金属纳米结构^[10-12]、深间隙^[13-15]产生的局域表面等离子体共振(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR)具有极强的局域场增强效果^[16-18]，被广泛应用于拉曼信号增强。纳米颗粒如纳米球^[19-20]、纳米三角形^[21]、纳米棒^[22]、纳米星^[23-24]等可以通过化学方法制备。

SERS基底的表面结构和材料是影响拉曼信号强度的两个关键因素。在表面结构方面，贵金属纳米孔结构因其高密度和嵌入热点而受到广泛关注。例如，Koya等^[25]的研究表明，多孔金属纳米结构形成的电磁热点被广泛应用于表面增强拉曼光谱。Liu等^[26]通过超薄氧化铝膜结合退火和脱合金技术制备了多孔金纳米颗粒结构，在SERS分析中表现出惊人的均匀性和灵敏度，拉曼增强因子(Enhancement Factor, EF)达到1.4×10⁷，相对标准偏差(Relative Standard Deviation，RSD)小于6.6%。对于SERS基底材料，与Au纳米颗粒相比，Ag纳米颗粒在可见光范围内具有更强的局域场增强因子，但稳定性相对较差。使用Au-Ag合金材料可以将强等离激元增强和材料稳定性有利结合起来。Mandal等^[27]的SERS研究结果表明，Au-Ag双金属纳米粒子的SERS基底的强度强于单金属纳米粒子。Gao等^[28]报道了具有Au-Ag核壳纳米球的SERS基底在波长为633 nm处表现出强耦合，这是由于Ag诱导的等离激元特性和Au的化学稳定性相结合。然而，由于核壳纳米球的粒径和壳层厚度的精确控制，其制备相对困难，且需要进行高于900 ℃的退火处理。对于金银合金衬底，一般有以下制备方法，比如，利用多孔Au纳米海绵结构作为模板，通过在孔洞中循环化学沉积银形成金银杂化纳米海绵^[29]；利用金纳米粒子作为核，通过还原反应在其表面镀一层银形成金银核壳结构，而由于银容易被氧化，可以将其高温退火以得到更加稳定的结构^[28]。通过超薄氧化铝模板形成纳米结构，在模板上沉积金银材料并结合退火和脱合金技术可以形成金银复合的纳米结构^[26]。这些制备方法通常都需要借助纳米结构作为模板，相比于交替沉积多层金银直接退火脱合金的制备方式更复杂。对于化学方法制备的固溶体在金属纳米粒子的分布上比较随机，容易造成拉曼强度的不均匀性。

综上，由于化学制备的纳米颗粒形成的热点随机聚集且随机分布，导致均匀性较差。相比之下，规则的纳米结构可以通过物理方法获得均匀分布的热点。然而，这些纳米结构的制备通常需要高精度的设备，如电子束光刻、聚焦离子束光刻、纳米压印光刻等，从而大大增加了制造成本^[30-31]。此外，这些方法总是受限于制备面积小或加工时间长。因此，寻找一种简便、大面积的制备方法至关重要。

本文提出了一种简易的制备高灵敏度、高均匀性SERS基底的方法。该方案具有工艺流程简易、无需使用精密的微纳加工设备且可大面积制备的优点。Au-Ag纳米结构是由生长的Au-Ag多层膜经低温退火和脱合金化形成的。通过控制退火温度^[32]，SERS基底的EF达到2.4×10⁵, RSD达到6.9%。

复合Au-Ag合金结构的制备过程如图1所示，制备过程如下：首先将0.5 nm厚的Ti以0.05 nm/s的速率蒸发到Si衬底上，Ti是为了将底部Si和上层Au粘连得更牢固。然后交替沉积4层10 nm Au和20 nm Ag，其结构由下至上为：Si−0.5 nmTi−10 nmAu−20 nmAg−10 nmAu−20 nmAg，然后在氮气流下退火30 s形成表面Au-Ag合金。将退火后的多孔Au-Ag合金结构浸泡在H₃PO₄腐蚀液中1 min，室温下脱合金除去Ag，然后立即用去离子水冲洗，最终成功制备出了大面积表面多孔的Au-Ag合金基底。这里采用Au-Ag多层膜来使退火后的金属熔合更充分，从而使Ag脱合金化后的孔洞更加致密均匀。由于该方法制备的薄膜是金银合金材料，对于表面的银大部分被腐蚀液腐蚀掉，保留下来的合金化学性质稳定，所以只需要放在洁净的环境内即可。测试前的样品处理方法如下：将制备好的样品放入待测分子的水溶液中浸泡7 h，然后取出用去离子水冲洗并用氮气吹干，即可进行测试。其中罗丹明6G(Rhodamine 6G, R6G)、胞嘧啶(Cytosine)、磷酸(H₃PO₄)、无水乙醇(C₂H₅OH) 都是分析纯试剂(Analytical Reagent，AR)，购自上海惠试公司；Au($\phi $3 mm×3 mm)、Ag($\phi $2 mm×5 mm) 购自中诺新材(北京)科技有限公司；实验所用仪器：场发射扫描电子显微镜(日本 Hitach)，共聚焦显微拉曼光谱仪(HORIBA Jobin Yvon)。

图 1(Figure 1)

图 1 通过沉积、退火和脱合金技术制备多孔Au-Ag复合纳米结构工艺示意图 Figure 1 Schematic of the fabrication processes for the porous Au-Ag composite nanostructures by depositing, annealing and dealloying techniques

利用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM)对样品进行表面形貌观察分析，结合X射线能谱仪对样品表面进行金银成分比例的分析。在共聚焦拉曼显微镜下获得SERS光谱，采用100×物镜，532 nm的激光器将光聚集在样品上，激发激光功率设置为10 mW，信号采集循环3次，每次采集信号时间9 s。测量SERS之前，配置不同浓度的R6G(10⁻⁹、10⁻¹⁰、10⁻¹¹、10⁻¹²和10⁻¹³ mol/L)水溶液及胞嘧啶(10⁻⁵、10⁻⁶、10⁻⁷、10⁻⁸和10⁻⁹ mol/L)溶液，将制备好的样品放在配置好的水溶液中浸泡7 h，然后用氮气流吹干。

利用时域有限差分(Finite-difference Time-domain, FDTD)法模拟近场电磁场分布。通过在FDTD仿真软件中进行参数设置，画出与真实结构相似的无序粗糙表面结构并进行仿真。具体方法如下：在FDTD仿真软件中，从元器件中找到粗糙表面结构模型，通过设置模型中的属性得到无序结构，如：index, material, seed, extra width, x span, y span, z span, sigma rms, delta, detail，从而得到与SEM测试结果近似的形貌结构。采用完全匹配层边界条件，波长为532 nm的平面波从顶部照射，入射波垂直于基底表面方向传播。场强监测器放置在基板的水平和垂直截面上，以获得场强分布。Au-Ag合金的介电常数$ \varepsilon $由$ \varepsilon \left(\alpha \right) =\alpha {\varepsilon }_{{\rm{Au}}}+(1-\alpha ) {\varepsilon }_{{\rm{Ag}}} $表示，其中，$ \alpha $ = 0.385(对应于Au-Ag合金中的Au含量)，Au和Ag的介电常数取自Palik^[33]的数据，根据X射线能谱测试结果计算，本文实际金银质量分数分别为70%和30%，在激发波长532 nm处，介电常数为−7.4998+2.0544i^[34]。

图2(a)～(e)所示为Au-Ag复合纳米结构经退火和脱合金处理后的SEM照片。从SEM图像上看，图2(b)表面有一层薄的纳米网状结构，存在大量的孔隙。200 ℃下基底的表面形貌比其他温度下基底的表面形貌均匀得多。在较低的退火温度下，脱合金结构表面无法形成多孔结构，Au和Ag浸入腐蚀液中。当退火温度大于300 ℃时，脱合金处理后的Au-Ag结构形成较大面积块，合金中的Ag很难被腐蚀液腐蚀形成多孔结构。图2(f)为利用X射线能谱仪对退火和脱合金后样品表面成分进行定性和定量分析。图2(f)中金银的成分比例根据X射线能谱仪测试结果计算。可以看出，随着退火温度的升高，合金中Ag的比例增加，再次证实了退火温度越高，合金中的Ag越不容易被腐蚀。虽然200 ℃没有达到金银熔点，但退火后的金银物理性质会发生变化，在一定程度上也能够促进金银之间的融合，从图2(b)中也能看出被腐蚀过后留下的银凹痕。X射线能谱仪测试选定微小位置区域探测元素成分与含量。探测面积在微米级范围，在一个SERS光斑面积范围内包含了大量的纳米结构，整体是均匀的。纳米级的不均匀不会影响最终实验结果。

图 2(Figure 2)

图 2 不同温度下多孔 Au-Ag 复合纳米结构的 SEM 图片及退火温度与 Au-Ag 质量分数的函数关系 Figure 2 The SEM images of the Au-Ag composite nanostructures with different temperatures and the functional relationship between annealing temperature and gold silver mass ratio

这里，FDTD模拟方法也被用来分析SERS基底表面增强电磁场的分布和强度。图3(a)展示了未经过退火和刻蚀的基底的电场分布模拟，图3(b)展示了复合纳米结构的电场(Re(|E|))分布截面(X-Y平面)。对比图3(a)，可以明显看出Au-Ag复合合金纳米结构表现出极大的局域场增强效应。图3(b)中电场分布的特点，对应图2(b)中Au-Ag复合纳米结构的表面形貌，由于Au-Ag复合纳米结构表面是不均匀不规则的粗糙形貌，导致图3(b)中的电场分布不均匀，局域场增强主要位于尖锐角、孔洞处。

图 3(Figure 3)

图 3 在 200 ℃的退火温度下，模拟了未退火的 Au-Ag 合金光滑结构(a)和退火并脱合金的 Au-Ag 复合纳米结构(b)的电场(|E|) 分布。平面波激光波长为 532 nm，插图为电场图对应的数值模型侧视图 Figure 3 The simulated electric-field (|E|) distributions of the Au-Ag smooth structure without annealing (a) and Au-Ag composite nanostructures(b) under annealing temperature of 200 ℃. The wavelength of plane wave irradiation is 532 nm and the insets are the side view of the numerical model corresponding to the electric field diagram

为了验证Au-Ag复合纳米结构对拉曼信号增强的效果，将基底浸泡在不同浓度的R6G水溶液和胞嘧啶水溶液中，7 h后用氮气将残留在基底上的溶液吹干。样品的拉曼信号由波长为532 nm激光共聚焦拉曼显微镜表征，积分时间为5 s。从图4(a)～(b)可以看出，拉曼信号强度随着浓度的稀释而降低。由图4(a)可知，当R6G浓度为10⁻⁶ mol/L时，随着浓度的不断降低，检测到的拉曼信号强度值也在不断减弱，当溶液浓度为10⁻¹¹ mol/L时，特征拉曼峰仍能检测到。由图4(b)可知，用胞嘧啶作为检测分子来说，多孔网状结构拉曼基底所能测得的最低浓度为10⁻⁸ mol/L，这同样是一个非常可观的结果。这样的检测结果表明了多孔网状结构拉曼基底有着极为可观的拉曼检测灵敏度。该拉曼衬底适用于不同的分子进行检测，并且当R6G分子浓度低至10⁻¹¹ mol/L时，仍可观察到拉曼信号。这表明复合Au-Ag结构对R6G分子非常敏感。

图 4(Figure 4)

图 4 两种检测分子附着在多孔 Au-Ag 复合纳米结构的拉曼光谱图 Figure 4 Raman spectra of Au-Ag composite nanostructures corresponding to R6G and cytosine

本文测量了R6G分子的SERS和非SERS光谱，通过比较SERS信号和非SERS信号的拉曼强度测量Au-Ag复合纳米结构的EF值。

式中：EF为拉曼增强因子，C_S为制备的基底浸没在水溶液中的R6G分子的浓度，I_S为附着在Au-Ag复合纳米结构上的R6G分子的拉曼强度，C_n为Si衬底浸没在水溶液中的R6G分子的浓度，I_n为附着在Si衬底上的R6G分子的拉曼强度。将测量好的参数代入式(1)得出763 cm⁻¹处拉曼峰的EF约为2.4×10⁵。通过对Au-Ag复合纳米结构进行低分子浓度检测拉曼信号，能够检测到的R6G分子浓度低至10⁻¹¹ mol/L，并且对胞嘧啶分子SERS检测也有较好的效果，这也进一步验证了样品表面表征及仿真模拟的理论分析，脱合金后形成了粗糙网状结构，其尖角及孔洞处具有极好的局域场增强效果，极大地增强了SERS信号，并计算了该结构的EF值。这表明通过简便地制备Au-Ag复合纳米结构可以实现高灵敏度的SERS基底。

此外，均匀性也是SERS基底在特殊应用中的重要参数。以10⁻⁶ mol/L R6G作为检测分子，图5(a)所示为基板上面积1600 μm²的随机位置金相显微镜照片图，对扫描区域进行均匀性评估，在该正方形区域上均匀分布100个检测点。R6G在763 cm⁻¹处的拉曼图谱如图5(b)所示，表明具有Au-Ag复合结构的SERS基底具有显著的信号均匀性。这进一步验证了Au-Ag复合纳米结构表面的相对均匀性，其纳米网状结构也能表明退火后金银成分分布也相对均匀。此外，图5(c)中计算得到的相对标准偏差体现其具有显著的信号均匀性。图5(c)表示100个拉曼强度分布值，通过强度分布可以更清晰地看出这100个点所处的拉曼强度区间。763 cm⁻¹处拉曼强度的平均RSD为6.9%。结果表明，多孔Au-Ag复合纳米结构可以形成均匀的SERS信号。

图 5(Figure 5)

图 5 R6G 分子附着在 Au-Ag 复合纳米结构的拉曼强度分布 Figure 5 Raman intensity distribution of R6G molecules attached to Au-Ag composite nanostructures

综上所述，本工作开发了一种简易的高性能SERS基底制备工艺路线。沉积多层Au-Ag结构后，通过退火和脱合金技术形成多孔Au-Ag复合纳米结构。由于实现了高密度和内置热点，其表现出显著的SERS灵敏度和均匀性。利用FDTD方法模拟了合金结构的电场分布，结果表明Au-Ag复合结构表面对局域电场增强有极大的效果。此外，实验中也证实了相应的结果。多孔Au-Ag复合纳米结构SERS基底检测R6G分子的EF达到2.4×10⁵，RSD低至6.9%。这些优点表明Au-Ag复合结构方案将为高均匀性和高灵敏度的SERS相关检测提供新的可能。