Optimization of non-metallic substrate for surface-enhanced Raman spectroscopy by using finite-difference time-domain simulation

Abstract

Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) has been studied as one of the powerful spectroscopic tools to overcome weak signal of Raman experiment. However, while SERS studies using electromagnetic (EM) enhancement (~10^12) by metallic substrates have been conducted extensively, the precise mechanism of charge transfer (CT) enhancement (~10^3-10^5) has not been well explained yet. Consequently, SERS studies using only semiconductor substrates has been conducted so that EM enhancement by SPR does not screen the effect of CT enhancement due to its relatively large EF. However, even though using non-metallic substrates excludes SPR effect, the presence of EM enhancement by their structures and its weak enhancement require us to calculate the contribution of EM enhancement and find a way to improve it. Therefore, we conducted finite-difference time-domain (FDTD) simulations of the substrate used in our laboratory for SERS studies such as ZnO and WS2 structures. First, we found ideal refractive indices of substrates for ZnO nanostructures and analyzed the factors that affect the results. In next study, we calculated the EM enhancement by flower-like WS2 and clarify the contribution of CT enhancement in SERS experimental results. In addition, we also suggest the substrates that increases enhancement factor (EF) or change the position of hotspots on WS2 nanoflowers for better detection of the analyte. These studies can be extended to other semiconductor materials to find optimal materials or structures of substrates.;표면증강라만분광법은 라만분광법의 약한 신호를 증강하기 위한 방법 중 하나로써, 이에 대한 많은 연구가 진행되어왔다. 이 방법에는 전기장 증강 (~10^12) 과 전하이동 증강 (~10^3-10^5), 이렇게 두가지 매커니즘이 존재한다. 금속 기판을 사용하여 전기장을 증강시켜 라만 신호를 높이는 전자와는 달리, 후자의 매커니즘은 아직 완벽히 설명되지 못하고 있다. 따라서, 이러한 전하이동 증강의 매커니즘을 밝히기 위해, 금속 물질로 인한 급격한 증강을 제외하고 반도체 기판만을 사용한 연구들이 진행되고 있다. 그러나, 반도체 기판 내에서도 구조로 인한 효과는 무시할 수 없고, 금속 기판보다 약한 신호를 보강해야 하기 때문에 반도체 기판의 전기장 증강을 계산하고 이를 개선할 필요가 대두되고 있다. 따라서 이 논문에서는 본 연구실에서 이러한 전하이동 증강 매커니즘을 밝히기 위해 사용하는 ZnO 와 WS2 기판에 대한 유한차분시간영역법 (FDTD) 시뮬레이션을 진행하였다. 첫번째 연구로는, ZnO 나노 구조를 위한 이상적인 기판의 굴절률을 찾고 그 원인을 분석하였다. 두번째 연구로는, 꽃 구조의 WS2 라만 실험에서 전하이동 증강의 기여도를 명확히 하기 위해 구조에 의한 전기장 증강을 계산하였다. 또한, 더 나은 실험을 위해 그 증강을 개선하거나 핫스팟의 위치를 변형할 수 있는 Si 기판의 구조를 제시하였다. 이 연구들은 다른 반도체 물질에 대해서도 최적화된 기판의 물질과 구조를 찾는 데에 사용될 수 있을 것이다.