DOI: 10.1021/acsanm.9b02363
碳材料作為用于表面增強拉曼散射（SERS）的高效耐用基材的開發，對于通過拉曼光譜實現分子傳感的實際應用具有重要意義。在本報告中，研究者通過低溫熱解展示了由旋轉涂覆的聚(4-乙烯基吡啶)聚合物薄膜和電紡聚合物納米纖維分別制備高質量的鐵氮摻雜碳納米板和納米棒。由于P4VP鏈具有功能性的吡啶環，可通過有利的相互作用與金屬前體離子結合，因此在合成過程中，可借助乙酸鐵（II）將鐵（Fe）原子摻入碳納米結構中。金屬鹽的摻入會降低吡啶基的熱穩定性，因此熱解會產生具有石墨化程度高、鐵和氮摻雜物種的碳納米結構。這些碳納米結構中的共摻雜物會引入表面偶極矩，影響價帶的DOS，并降低功函。對碳納米材料的電子結構進行微調，以實現碳納米結構的導帶和價帶態與羅丹明6G和結晶紫探測分子的激發態和基態的振動耦合。振動耦合通過電荷轉移（CT）過程實現了SERS的顯著增強，檢測極限濃度低至10-7 M，最大增強因子為3.8×104。以聚合物為模板的碳納米結構為該系統在下一代分子傳感SERS基質中的應用提供了廣闊的前景。
圖1.（a） 由在不同溫度（1h）下熱解的交聯含Fe的P4VP層獲得的Fe-2D-NECNS的同步加速器Fe L-edge、（b）N K-edge和（c）C K-edge NEXAFS光譜；為了清晰起見，光譜垂直偏移。（d）Fe-2D-NECNS中石墨域內Fe-Nx摻雜物種的可能結構。
圖2.（a）通過UPS使用150 eV的光子能量測量的Fe-2D-NECNS價帶和（b）功函數，該Fe-2D-NECNS由在不同溫度（1h）下熱解的交聯含Fe的P4VP層制備而成。零能量位于費米能級EF，它代表發射光譜的閾值。（b）的插圖顯示了價帶的低能截止邊緣，它是在樣品偏壓為-5 V時測得的動能（Ek）的函數。
圖3.Fe-2D-NECNS/SiOx/Si單分子層吸附的（a）R6G和（b）CV分子的拉曼光譜（在532 nm處激發），為了清楚起見，光譜垂直偏移。用于吸附染料分子單層覆蓋的溶液濃度為10-5 m。二階硅拉曼線的位置用星號標記。在（a）和（b）中，顯示了吸附在石墨烯上的染料分子的放大信號強度的拉曼光譜，并標記了放大率。吸附在Fe-2D-NECNS450和石墨烯上的（c）R6G和（d）CV分子拉曼信號的相對強度比。
圖4.在不同濃度的溶液中浸泡后，在不同表面覆蓋的范圍內，吸附在Fe-2D-NECNS450/SiOx/Si上的（a）R6G和（b）CV 的拉曼光譜（在532 nm處激發）。為了清楚起見，光譜垂直偏移，并標記了濃度。（c，d）拉曼強度與濃度的相應曲線。對于R6G，選擇613和1648 cm-1峰，對于CV，選擇914和1588 cm-1峰。峰強度歸一化為960 cm-1處的硅信號，標記星號（?）。（e，f）分別為從10-7 M溶液中吸附在SiOx/Si上的R6G分子和從8×10-7 M溶液中吸附在SiOx/Si上的CV分子的放大光譜，
圖5.水洗后（a）殘留R6G和（b）CV分子吸附在由石英支撐的Fe-2D-NECNS350（ii）和Fe-2D-NECNS450（iii）上的歸一化紫外-可見吸收光譜。將未經水洗直接沉積在石英上的R6G和CV分子的紫外-可見吸收光譜（黑色曲線）顯示在一起進行比較。對于藍色曲線（ii）和（iii），殘留染料分子的吸收光譜由底層碳化層的吸收光譜進行歸一化。吸光度最大值的位置用箭頭表示。吸附在（c）Fe-2D-NECNS450和（d）Fe-2D-NECNS350上的R6G和CV的能帶圖和電荷轉移過程的示意圖。
圖6. Fe-1D-NECNR450的（a，c）SEM和（b）TEM圖像以及（d）EDS圖。（a）中的插圖表示Fe-1D-NECNR450中碳化納米纖維的尺寸分布。（e-h）（e）C、（f）O、（g）N和（h）Fe的相應元素映射圖像。（i）吸附在Fe-1D-NECNR450上的10-5 M的CV和R6G分子在532 nm處激發的拉曼光譜。
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