In this work, we proposed a novel three-dimensional (3D) plasmonic nanostructure based on porous graphene/nickel foam (GNF) and gas-phase deposited Ag nanoparticles (NPs). Ag NPs with high density were directly deposited on the surface of 3D GNF by performing a novel cluster beam deposition approach. In comparison with traditional Ag substrate (SiO2/Ag), such hot-spots enriched 3D nanostructure showed extremely high electromagnetic field enhancement under incident light irradiation which could be used as a sensitive chemical sensor based on surface enhanced Raman scattering (SERS). The experimental results demonstrated that the proposed nanostructure showed superior SERS performance in terms of Raman signal reproducibility and sensitivity for the probe molecules. 3D full-wave simulation showed that the enhanced SERS performance in this 3D hierarchical plasmonic nanostructure was mainly obtained from the hot-spots between Ag NPs and the near-field coupling between Ag NPs and GNF scaffolds. This work can provide a novel assembled SERS substrate as a SERS-based chemical sensor in practical applications.
References
[1]
K.
Okamoto
, I.
Niki
, A.
Shvartser
, Y.
Narukawa
, T.
Mukai
, and A.
Scherer
, Nat. Mater.
3
, 601
(2004
).[2]
(a)
J. F.
Huang
, C. X.
Liu
, Y. H.
Zhu
, S.
Masala
, E.
Alarousu
, Y.
Han
, and A.
Fratalocchi
, Nat. Nanotechnol.
11
, 60
(2016
).
[PubMed]
(b)
C. X.
Liu
, J. F.
Huang
, C. E.
Hsiung
, Y.
Tian
, J. J.
Wang
, Y.
Han
, and A.
Fratalocchi
, Adv. Sustain. Syst.
1
, 1600013
(2017
).[3]
(a)
C. Y.
Li
, M.
Meng
, S. C.
Huang
, L.
Li
, S. R.
Huang
, S.
Chen
, L. Y.
Meng
, R.
Panneerselvam
, S. J.
Zhang
, B.
Ren
, Z. L.
Yang
, J. F.
Li
, and Z. Q.
Tian
, J. Am. Chem. Soc.
137
, 13784
(2015
).
[PubMed]
(b)
S. Y.
Ding
, J.
Yi
, J. F.
Li
, B.
Ren
, D. Y.
Wu
, R.
Panneerselvam
, and Z. Q.
Tian
, Nat. Rev. Mater.
1
, 16021
(2016
).(c)
J. F.
Li
, Y. J.
Zhang
, S. Y.
Ding
, R.
Panneerselvam
, and Z. Q.
Tian
, Chem. Rev.
117
, 5002
(2017
).
[PubMed]
(d)
P.
Mao
, C. X.
Liu
, G.
Favraud
, Q.
Chen
, M.
Han
, A.
Fratalocchi
, and S.
Zhang
, Nat. Commun.
9
, 5428
(2018
).
[PubMed]
[4]
(a)
J. A.
Schuller
, E. S.
Barnard
, W. S.
Cai
, Y. C.
Jun
, J. S.
White
, and M. L.
Brongersma
, Nat. Mater.
9
, 193
(2010
).
[PubMed]
(b)
C.
Ma
, Q. Q.
Gao
, W.
Hong
, J.
Fan
, and J. X.
Fang
, Adv. Funct. Mater.
27
, 1603233
(2017
).(c)
N. H.
Kim
, W.
Hwang
, K.
Baek
, M. R.
Rohman
, J.
Kim
, H. W.
Kim
, J.
Mun
, S. Y.
Lee
, G.
Yun
, J.
Murray
, J. W.
Ha
, J.
Rho
, M.
Moskovits
, and K.
Kim
, J. Am. Chem. Soc.
140
, 4705
(2018
).
[PubMed]
[5]
(a)
S.
Schlcker
, Angew. Chem. Int. Ed.
53
, 4756
(2014
).(b)
H. L.
Liu
, L. B.
Yang
, and J. H.
Liu
, TrAC Trends Anal. Chem.
80
, 364
(2016
).[6]
(a)
Y. L.
Wang
, K.
Lee
, and J.
Irudayaraj
, J. Phys. Chem. C
114
, 16122
(2010
).(b)
L. B.
He
, Y. L.
Wang
, X.
Xie
, M.
Han
, F. Q.
Song
, B. J.
Wang
, W. L.
Cheng
, H. X.
Xu
, and L. T.
Sun
, Phys. Chem. Chem. Phys.
19
, 17469
(2017
).
[PubMed]
[7]
S. Y.
Lee
, L.
Hung
, G. S.
Lang
, J. E.
Cornett
, I. D.
Mayergoyz
, and O.
Rabin
, ACS Nano
4
, 5763
(2010
).[8]
A. S. D. S.
Indrasekara
, S.
Meyers
, S.
Shubeita
, L. C.
Feldman
, T.
Gustafsson
, and L.
Fabris
, Nanoscale
6
, 8891
(2014
).[9]
(b)
Q.
Li
, Y. Y.
Jiang
, R. C.
Han
, X. L.
Zhong
, S. Y.
Liu
, Z. Y.
Li
, Y. L.
Sha
, and D. S.
Xu
, Small
9
, 927
(2013
).
[PubMed]
[10]
D. X.
Wang
, W. Q.
Zhu
, M. D.
Best
, J. P.
Camden
, and K. B.
Crozier
, Sci. Rep.
3
, 2867
(2013
).[11]
H. L.
Liu
, Z. L.
Yang
, L. Y.
Meng
, Y. D.
Sun
, J.
Wang
, L. B.
Yang
, J. H.
Liu
, and Z. Q.
Tian
, J. Am. Chem. Soc.
136
, 5332
(2014
).[12]
(a)
D. D.
Lin
, Z. L.
Wu
, S. J.
Li
, W. Q.
Zhao
, C. J.
Ma
, J.
Wang
, Z. M.
Jiang
, Z. Y.
Zhong
, Y. B.
Zheng
, and X. J.
Yang
, ACS Nano
11
, 1478
(2017
).
[PubMed]
(b)
E. Z.
Tan
, P. G.
Yin
, T. T.
You
, H.
Wang
, and L.
Guo
, ACS Appl. Mater. Inter.
4
, 3432
(2012
).[13]
Q.
Zhang
, Y. H.
Lee
, I. Y.
Phang
, C. K.
Lee
, and X. Y.
Ling
, Small
10
, 2703
(2014
).[14]
K.
Jung
, J.
Hahn
, S.
In
, Y.
Bae
, H.
Lee
, P. V.
Pikhitsa
, K.
Ahn
, K.
Ha
, J. K.
Lee
, and N.
Park
, Adv. Mater.
26
, 5924
(2014
).[15]
W.
Xie
, B.
Walkenfort
, and S.
Schlücker
, J. Am. Chem. Soc.
135
, 1657
(2013
).[16]
J. D.
Caldwell
, O.
Glembocki
, F. J.
Bezares
, N. D.
Bassim
, R. W.
Rendell
, M.
Feygelson
, M.
Ukaegbu
, R.
Kasica
, L.
Shirey
, and C.
Hosten
, ACS Nano
5
, 4046
(2011
).[17]
N. A.
Cinel
, S.
Btn
, G.
Ertaş
, and E.
Özbay
, Small
9
, 531
(2013
).[18]
J. W.
Jeong
, M. M. P.
Arnob
, K. M.
Baek
, S. Y.
Lee
, W. C.
Shih
, and Y. S.
Jung
, Adv. Mater.
28
, 8695
(2016
).[19]
(a)
X. H.
Li
, W. C. H.
Choy
, X. A.
Ren
, D.
Zhang
, and H. F.
Lu
, Adv. Funct. Mater.
24
, 3114
(2014
).(c)
W. G.
Xu
, X.
Ling
, J. Q.
Xiao
, M. S.
Dresselhaus
, J.
Kong
, H. X.
Xu
, Z. F.
Liu
, and J.
Zhang
, Proc. Natl. Acad. Sci. USA
109
, 9281
(2012
).[20]
R. Q.
Xu
, Y. Q.
Lu
, C. H.
Jiang
, J.
Chen
, P.
Mao
, G. H.
Gao
, L. B.
Zhang
, and S.
Wu
, ACS Appl. Mater. Inter.
6
, 13455
(2014
).[21]
(a)
P.
Mao
, A. K.
Mahapatra
, J.
Chen
, M. R.
Chen
, G. H.
Wang
, and M.
Han
, ACS Appl. Mater. Inter.
7
, 19179
(2015
).(b)
P.
Mao
, J.
Chen
, R. Q.
Xu
, G. Z.
Xie
, Y. J.
Liu
, G. H.
Gao
, and S.
Wu
, Appl. Phys. A
117
, 1067
(2014
).(c)
P.
Mao
, F. F.
Sun
, H. C.
Yao
, J.
Chen
, B.
Zhao
, B.
Xie
, M.
Han
, and G. H.
Wang
, Nanoscale
6
, 8177
(2014
).
[PubMed]
(d)
P.
Mao
, M. S.
Xu
, J.
Chen
, B.
Xie
, F. Q.
Song
, M.
Han
, and G. H.
Wang
, Nanotechnology
26
, 185201
(2015
).
[PubMed]
[22]
E. D.
Palik
, Handbook of Optical Constants of Solids
, Orlando
: Academic Press
, (1985
).[23]
S. Y.
Xiao
, T.
Wang
, Y. B.
Liu
, C.
Xu
, X.
Han
, and X. C.
Yan
, Phys. Chem. Chem. Phys.
18
, 26661
(2016
).[24]
(a)
X. D.
Wei
, Z. X.
Meng
, L.
Ruiz
, W. J.
Xia
, C.
Lee
, J. W.
Kysar
, J. C.
Hone
, S.
Keten
, and H. D.
Espinosa
, ACS Nano
10
, 1820
(2016
).
[PubMed]
(b)
A. C.
Ferrari
, J. C.
Meyer
, V.
Scardaci
, C.
Casiraghi
, M.
Lazzeri
, F.
Mauri
, S.
Piscanec
, D.
Jiang
, K. S.
Novoselov
, S.
Roth
, and A. K.
Geim
, Phys. Rev. Lett.
97
, 187401
(2006
).
[PubMed]
(c)
D.
Graf
, F.
Molitor
, K.
Ensslin
, C.
Stampfer
, A.
Jungen
, C.
Hierold
, and L.
Wirtz
, Nano Lett.
7
, 238
(2007
).
[PubMed]
[25]
(a)
A.
Moreau
, C.
Cirac
, J. J.
Mock
, R. T.
Hill
, Q.
Wang
, B. J.
Wiley
, A.
Chilkoti
, and D. R.
Smith
, Nature
492
, 86
(2012
).
[PubMed]
(b)
C.
Ciracì
, R. T.
Hill
, J. J.
Mock
, Y.
Urzhumov
, A.
Fernández-Domínguez
, S. A.
Maier
, J. B.
Pendry
, A.
Chilkoti
, and D. R.
Smith
, Science
337
, 1072
(2012
).
[PubMed]
[26]
(a)
P.
Wang
, W.
Zhang
, O.
Liang
, M.
Pantoja
, J.
Katzer
, T.
Schroeder
, and Y. H.
Xie
, ACS Nano
6
, 6244
(2012
).
[PubMed]
[27]
M. A.
Creighton
, J. R.
Rangel-Mendez
, J. X.
Huang
, A. B.
Kane
, and R. H.
Hurt
, Small
9
, 1921
(2013
).
This content is only available via PDF.
© 2019 Chinese Physical Society.
2019
Chinese Physical Society
You do not currently have access to this content.
