Abstract

A simple and repeatable method using femtosecond laser pulse train to fabricate nanostructured substrates with silver nanoparticles over a large area for surface-enhanced Raman scattering is reported. The method involves two steps: (1) femtosecond laser pulse train micromachining and roughening and (2) femtosecond laser processing of the substrates in a silver nitrate solution. Surface modification is investigated experimentally by varying the time delay of the double femtosecond laser pulse train. With time delay ranging from 200 to 600 fs, the different enhancement factors were observed. This study demonstrates that a maximum enhancement factor of 6.8×106, measured by 106M Rhodamine 6G solution, can be achieved at the time delay of 400 fs.

© 2012 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. M. Schierhorn, S. J. Lee, S. W. Boettcher, G. D. Stucky, and M. Moskovits, Adv. Mater. 18, 2829 (2006).
    [CrossRef]
  2. K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, L. T. Perelman, I. Itzkan, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 78, 1667 (1997).
    [CrossRef]
  3. K. L. Norrod, L. M. Sudnik, D. Rousell, and K. L. Rowlen, Appl. Spectrosc. 51, 994 (1997).
    [CrossRef]
  4. L. Rivas, S. Sanchez-Cortes, J. V. Garcia-Ramos, and G. Morcillo, Langmuir 16, 9722 (2000).
    [CrossRef]
  5. L. Jiang and H. L. Tsai, Appl. Phys. Lett. 87, 151104 (2005).
    [CrossRef]
  6. R. Stoian, M. Boyle, A. Thoss, A. Rosenfeld, G. Korn, I. V. Hertel, and E. E. B. Campbell, Appl. Phys. Lett. 80, 353 (2002).
    [CrossRef]
  7. C. Wang, L. Jiang, F. Wang, X. Lin, Y. P. Yuan, and H. L. Tsai, Phys. Lett. A 375, 3200 (2011).
    [CrossRef]
  8. T. Wei, Y. Han, H. L. Tsai, and H. Xiao, Opt. Lett. 33, 536 (2008).
    [CrossRef]
  9. C. H. Lin, L. Jiang, Y. H. Chai, H. Xiao, S. J. Chen, and H. L. Tsai, Opt. Express 17, 21581 (2009).
    [CrossRef]
  10. Y. Chen, J. J. Jaakola, A. Säynätjoki, A. Tervonen, and S. Honkanen, J. Raman Spectrosc. 42, 936 (2011).
    [CrossRef]
  11. Y. P. Yuan, L. Jiang, X. Li, C. Wang, H. Xiao, Y. F. Lu, and H. L. Tsai, J. Phys. D 45, 175301 (2012).
    [CrossRef]
  12. L. Jiang and H. L. Tsai, J. Appl. Phys. 100, 023116 (2006).
    [CrossRef]
  13. I. W. Sztainbuch, J. Chem. Phys. 125, 124707 (2006).
    [CrossRef]
  14. H. X. Xu, E. J. Bjerneld, M. Kall, and L. Borjesson, Phys. Rev. Lett. 83, 4357 (1999).
    [CrossRef]
  15. S. M. Nie and S. R. Emory, Science 275, 1102 (1997).
    [CrossRef]
  16. R. P. Van Duyne, J. C. Hulteen, and D. A. Treichel, J. Chem. Phys. 99, 2101 (1993).
    [CrossRef]
  17. H. H. Wang, C. Y. Liu, S. B. Wu, N. W. Liu, C. Y. Peng, T. H. Chan, C. F. Hsu, J. K. Wang, and Y. L. Wang, Adv. Mater. 18, 491 (2006).
    [CrossRef]

2012

Y. P. Yuan, L. Jiang, X. Li, C. Wang, H. Xiao, Y. F. Lu, and H. L. Tsai, J. Phys. D 45, 175301 (2012).
[CrossRef]

2011

Y. Chen, J. J. Jaakola, A. Säynätjoki, A. Tervonen, and S. Honkanen, J. Raman Spectrosc. 42, 936 (2011).
[CrossRef]

C. Wang, L. Jiang, F. Wang, X. Lin, Y. P. Yuan, and H. L. Tsai, Phys. Lett. A 375, 3200 (2011).
[CrossRef]

2009

2008

2006

M. Schierhorn, S. J. Lee, S. W. Boettcher, G. D. Stucky, and M. Moskovits, Adv. Mater. 18, 2829 (2006).
[CrossRef]

H. H. Wang, C. Y. Liu, S. B. Wu, N. W. Liu, C. Y. Peng, T. H. Chan, C. F. Hsu, J. K. Wang, and Y. L. Wang, Adv. Mater. 18, 491 (2006).
[CrossRef]

L. Jiang and H. L. Tsai, J. Appl. Phys. 100, 023116 (2006).
[CrossRef]

I. W. Sztainbuch, J. Chem. Phys. 125, 124707 (2006).
[CrossRef]

2005

L. Jiang and H. L. Tsai, Appl. Phys. Lett. 87, 151104 (2005).
[CrossRef]

2002

R. Stoian, M. Boyle, A. Thoss, A. Rosenfeld, G. Korn, I. V. Hertel, and E. E. B. Campbell, Appl. Phys. Lett. 80, 353 (2002).
[CrossRef]

2000

L. Rivas, S. Sanchez-Cortes, J. V. Garcia-Ramos, and G. Morcillo, Langmuir 16, 9722 (2000).
[CrossRef]

1999

H. X. Xu, E. J. Bjerneld, M. Kall, and L. Borjesson, Phys. Rev. Lett. 83, 4357 (1999).
[CrossRef]

1997

S. M. Nie and S. R. Emory, Science 275, 1102 (1997).
[CrossRef]

K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, L. T. Perelman, I. Itzkan, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 78, 1667 (1997).
[CrossRef]

K. L. Norrod, L. M. Sudnik, D. Rousell, and K. L. Rowlen, Appl. Spectrosc. 51, 994 (1997).
[CrossRef]

1993

R. P. Van Duyne, J. C. Hulteen, and D. A. Treichel, J. Chem. Phys. 99, 2101 (1993).
[CrossRef]

Bjerneld, E. J.

H. X. Xu, E. J. Bjerneld, M. Kall, and L. Borjesson, Phys. Rev. Lett. 83, 4357 (1999).
[CrossRef]

Boettcher, S. W.

M. Schierhorn, S. J. Lee, S. W. Boettcher, G. D. Stucky, and M. Moskovits, Adv. Mater. 18, 2829 (2006).
[CrossRef]

Borjesson, L.

H. X. Xu, E. J. Bjerneld, M. Kall, and L. Borjesson, Phys. Rev. Lett. 83, 4357 (1999).
[CrossRef]

Boyle, M.

R. Stoian, M. Boyle, A. Thoss, A. Rosenfeld, G. Korn, I. V. Hertel, and E. E. B. Campbell, Appl. Phys. Lett. 80, 353 (2002).
[CrossRef]

Campbell, E. E. B.

R. Stoian, M. Boyle, A. Thoss, A. Rosenfeld, G. Korn, I. V. Hertel, and E. E. B. Campbell, Appl. Phys. Lett. 80, 353 (2002).
[CrossRef]

Chai, Y. H.

Chan, T. H.

H. H. Wang, C. Y. Liu, S. B. Wu, N. W. Liu, C. Y. Peng, T. H. Chan, C. F. Hsu, J. K. Wang, and Y. L. Wang, Adv. Mater. 18, 491 (2006).
[CrossRef]

Chen, S. J.

Chen, Y.

Y. Chen, J. J. Jaakola, A. Säynätjoki, A. Tervonen, and S. Honkanen, J. Raman Spectrosc. 42, 936 (2011).
[CrossRef]

Dasari, R. R.

K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, L. T. Perelman, I. Itzkan, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 78, 1667 (1997).
[CrossRef]

Emory, S. R.

S. M. Nie and S. R. Emory, Science 275, 1102 (1997).
[CrossRef]

Feld, M. S.

K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, L. T. Perelman, I. Itzkan, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 78, 1667 (1997).
[CrossRef]

Garcia-Ramos, J. V.

L. Rivas, S. Sanchez-Cortes, J. V. Garcia-Ramos, and G. Morcillo, Langmuir 16, 9722 (2000).
[CrossRef]

Han, Y.

Hertel, I. V.

R. Stoian, M. Boyle, A. Thoss, A. Rosenfeld, G. Korn, I. V. Hertel, and E. E. B. Campbell, Appl. Phys. Lett. 80, 353 (2002).
[CrossRef]

Honkanen, S.

Y. Chen, J. J. Jaakola, A. Säynätjoki, A. Tervonen, and S. Honkanen, J. Raman Spectrosc. 42, 936 (2011).
[CrossRef]

Hsu, C. F.

H. H. Wang, C. Y. Liu, S. B. Wu, N. W. Liu, C. Y. Peng, T. H. Chan, C. F. Hsu, J. K. Wang, and Y. L. Wang, Adv. Mater. 18, 491 (2006).
[CrossRef]

Hulteen, J. C.

R. P. Van Duyne, J. C. Hulteen, and D. A. Treichel, J. Chem. Phys. 99, 2101 (1993).
[CrossRef]

Itzkan, I.

K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, L. T. Perelman, I. Itzkan, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 78, 1667 (1997).
[CrossRef]

Jaakola, J. J.

Y. Chen, J. J. Jaakola, A. Säynätjoki, A. Tervonen, and S. Honkanen, J. Raman Spectrosc. 42, 936 (2011).
[CrossRef]

Jiang, L.

Y. P. Yuan, L. Jiang, X. Li, C. Wang, H. Xiao, Y. F. Lu, and H. L. Tsai, J. Phys. D 45, 175301 (2012).
[CrossRef]

C. Wang, L. Jiang, F. Wang, X. Lin, Y. P. Yuan, and H. L. Tsai, Phys. Lett. A 375, 3200 (2011).
[CrossRef]

C. H. Lin, L. Jiang, Y. H. Chai, H. Xiao, S. J. Chen, and H. L. Tsai, Opt. Express 17, 21581 (2009).
[CrossRef]

L. Jiang and H. L. Tsai, J. Appl. Phys. 100, 023116 (2006).
[CrossRef]

L. Jiang and H. L. Tsai, Appl. Phys. Lett. 87, 151104 (2005).
[CrossRef]

Kall, M.

H. X. Xu, E. J. Bjerneld, M. Kall, and L. Borjesson, Phys. Rev. Lett. 83, 4357 (1999).
[CrossRef]

Kneipp, H.

K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, L. T. Perelman, I. Itzkan, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 78, 1667 (1997).
[CrossRef]

Kneipp, K.

K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, L. T. Perelman, I. Itzkan, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 78, 1667 (1997).
[CrossRef]

Korn, G.

R. Stoian, M. Boyle, A. Thoss, A. Rosenfeld, G. Korn, I. V. Hertel, and E. E. B. Campbell, Appl. Phys. Lett. 80, 353 (2002).
[CrossRef]

Lee, S. J.

M. Schierhorn, S. J. Lee, S. W. Boettcher, G. D. Stucky, and M. Moskovits, Adv. Mater. 18, 2829 (2006).
[CrossRef]

Li, X.

Y. P. Yuan, L. Jiang, X. Li, C. Wang, H. Xiao, Y. F. Lu, and H. L. Tsai, J. Phys. D 45, 175301 (2012).
[CrossRef]

Lin, C. H.

Lin, X.

C. Wang, L. Jiang, F. Wang, X. Lin, Y. P. Yuan, and H. L. Tsai, Phys. Lett. A 375, 3200 (2011).
[CrossRef]

Liu, C. Y.

H. H. Wang, C. Y. Liu, S. B. Wu, N. W. Liu, C. Y. Peng, T. H. Chan, C. F. Hsu, J. K. Wang, and Y. L. Wang, Adv. Mater. 18, 491 (2006).
[CrossRef]

Liu, N. W.

H. H. Wang, C. Y. Liu, S. B. Wu, N. W. Liu, C. Y. Peng, T. H. Chan, C. F. Hsu, J. K. Wang, and Y. L. Wang, Adv. Mater. 18, 491 (2006).
[CrossRef]

Lu, Y. F.

Y. P. Yuan, L. Jiang, X. Li, C. Wang, H. Xiao, Y. F. Lu, and H. L. Tsai, J. Phys. D 45, 175301 (2012).
[CrossRef]

Morcillo, G.

L. Rivas, S. Sanchez-Cortes, J. V. Garcia-Ramos, and G. Morcillo, Langmuir 16, 9722 (2000).
[CrossRef]

Moskovits, M.

M. Schierhorn, S. J. Lee, S. W. Boettcher, G. D. Stucky, and M. Moskovits, Adv. Mater. 18, 2829 (2006).
[CrossRef]

Nie, S. M.

S. M. Nie and S. R. Emory, Science 275, 1102 (1997).
[CrossRef]

Norrod, K. L.

Peng, C. Y.

H. H. Wang, C. Y. Liu, S. B. Wu, N. W. Liu, C. Y. Peng, T. H. Chan, C. F. Hsu, J. K. Wang, and Y. L. Wang, Adv. Mater. 18, 491 (2006).
[CrossRef]

Perelman, L. T.

K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, L. T. Perelman, I. Itzkan, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 78, 1667 (1997).
[CrossRef]

Rivas, L.

L. Rivas, S. Sanchez-Cortes, J. V. Garcia-Ramos, and G. Morcillo, Langmuir 16, 9722 (2000).
[CrossRef]

Rosenfeld, A.

R. Stoian, M. Boyle, A. Thoss, A. Rosenfeld, G. Korn, I. V. Hertel, and E. E. B. Campbell, Appl. Phys. Lett. 80, 353 (2002).
[CrossRef]

Rousell, D.

Rowlen, K. L.

Sanchez-Cortes, S.

L. Rivas, S. Sanchez-Cortes, J. V. Garcia-Ramos, and G. Morcillo, Langmuir 16, 9722 (2000).
[CrossRef]

Säynätjoki, A.

Y. Chen, J. J. Jaakola, A. Säynätjoki, A. Tervonen, and S. Honkanen, J. Raman Spectrosc. 42, 936 (2011).
[CrossRef]

Schierhorn, M.

M. Schierhorn, S. J. Lee, S. W. Boettcher, G. D. Stucky, and M. Moskovits, Adv. Mater. 18, 2829 (2006).
[CrossRef]

Stoian, R.

R. Stoian, M. Boyle, A. Thoss, A. Rosenfeld, G. Korn, I. V. Hertel, and E. E. B. Campbell, Appl. Phys. Lett. 80, 353 (2002).
[CrossRef]

Stucky, G. D.

M. Schierhorn, S. J. Lee, S. W. Boettcher, G. D. Stucky, and M. Moskovits, Adv. Mater. 18, 2829 (2006).
[CrossRef]

Sudnik, L. M.

Sztainbuch, I. W.

I. W. Sztainbuch, J. Chem. Phys. 125, 124707 (2006).
[CrossRef]

Tervonen, A.

Y. Chen, J. J. Jaakola, A. Säynätjoki, A. Tervonen, and S. Honkanen, J. Raman Spectrosc. 42, 936 (2011).
[CrossRef]

Thoss, A.

R. Stoian, M. Boyle, A. Thoss, A. Rosenfeld, G. Korn, I. V. Hertel, and E. E. B. Campbell, Appl. Phys. Lett. 80, 353 (2002).
[CrossRef]

Treichel, D. A.

R. P. Van Duyne, J. C. Hulteen, and D. A. Treichel, J. Chem. Phys. 99, 2101 (1993).
[CrossRef]

Tsai, H. L.

Y. P. Yuan, L. Jiang, X. Li, C. Wang, H. Xiao, Y. F. Lu, and H. L. Tsai, J. Phys. D 45, 175301 (2012).
[CrossRef]

C. Wang, L. Jiang, F. Wang, X. Lin, Y. P. Yuan, and H. L. Tsai, Phys. Lett. A 375, 3200 (2011).
[CrossRef]

C. H. Lin, L. Jiang, Y. H. Chai, H. Xiao, S. J. Chen, and H. L. Tsai, Opt. Express 17, 21581 (2009).
[CrossRef]

T. Wei, Y. Han, H. L. Tsai, and H. Xiao, Opt. Lett. 33, 536 (2008).
[CrossRef]

L. Jiang and H. L. Tsai, J. Appl. Phys. 100, 023116 (2006).
[CrossRef]

L. Jiang and H. L. Tsai, Appl. Phys. Lett. 87, 151104 (2005).
[CrossRef]

Van Duyne, R. P.

R. P. Van Duyne, J. C. Hulteen, and D. A. Treichel, J. Chem. Phys. 99, 2101 (1993).
[CrossRef]

Wang, C.

Y. P. Yuan, L. Jiang, X. Li, C. Wang, H. Xiao, Y. F. Lu, and H. L. Tsai, J. Phys. D 45, 175301 (2012).
[CrossRef]

C. Wang, L. Jiang, F. Wang, X. Lin, Y. P. Yuan, and H. L. Tsai, Phys. Lett. A 375, 3200 (2011).
[CrossRef]

Wang, F.

C. Wang, L. Jiang, F. Wang, X. Lin, Y. P. Yuan, and H. L. Tsai, Phys. Lett. A 375, 3200 (2011).
[CrossRef]

Wang, H. H.

H. H. Wang, C. Y. Liu, S. B. Wu, N. W. Liu, C. Y. Peng, T. H. Chan, C. F. Hsu, J. K. Wang, and Y. L. Wang, Adv. Mater. 18, 491 (2006).
[CrossRef]

Wang, J. K.

H. H. Wang, C. Y. Liu, S. B. Wu, N. W. Liu, C. Y. Peng, T. H. Chan, C. F. Hsu, J. K. Wang, and Y. L. Wang, Adv. Mater. 18, 491 (2006).
[CrossRef]

Wang, Y.

K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, L. T. Perelman, I. Itzkan, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 78, 1667 (1997).
[CrossRef]

Wang, Y. L.

H. H. Wang, C. Y. Liu, S. B. Wu, N. W. Liu, C. Y. Peng, T. H. Chan, C. F. Hsu, J. K. Wang, and Y. L. Wang, Adv. Mater. 18, 491 (2006).
[CrossRef]

Wei, T.

Wu, S. B.

H. H. Wang, C. Y. Liu, S. B. Wu, N. W. Liu, C. Y. Peng, T. H. Chan, C. F. Hsu, J. K. Wang, and Y. L. Wang, Adv. Mater. 18, 491 (2006).
[CrossRef]

Xiao, H.

Xu, H. X.

H. X. Xu, E. J. Bjerneld, M. Kall, and L. Borjesson, Phys. Rev. Lett. 83, 4357 (1999).
[CrossRef]

Yuan, Y. P.

Y. P. Yuan, L. Jiang, X. Li, C. Wang, H. Xiao, Y. F. Lu, and H. L. Tsai, J. Phys. D 45, 175301 (2012).
[CrossRef]

C. Wang, L. Jiang, F. Wang, X. Lin, Y. P. Yuan, and H. L. Tsai, Phys. Lett. A 375, 3200 (2011).
[CrossRef]

Adv. Mater.

M. Schierhorn, S. J. Lee, S. W. Boettcher, G. D. Stucky, and M. Moskovits, Adv. Mater. 18, 2829 (2006).
[CrossRef]

H. H. Wang, C. Y. Liu, S. B. Wu, N. W. Liu, C. Y. Peng, T. H. Chan, C. F. Hsu, J. K. Wang, and Y. L. Wang, Adv. Mater. 18, 491 (2006).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett.

L. Jiang and H. L. Tsai, Appl. Phys. Lett. 87, 151104 (2005).
[CrossRef]

R. Stoian, M. Boyle, A. Thoss, A. Rosenfeld, G. Korn, I. V. Hertel, and E. E. B. Campbell, Appl. Phys. Lett. 80, 353 (2002).
[CrossRef]

Appl. Spectrosc.

J. Appl. Phys.

L. Jiang and H. L. Tsai, J. Appl. Phys. 100, 023116 (2006).
[CrossRef]

J. Chem. Phys.

I. W. Sztainbuch, J. Chem. Phys. 125, 124707 (2006).
[CrossRef]

R. P. Van Duyne, J. C. Hulteen, and D. A. Treichel, J. Chem. Phys. 99, 2101 (1993).
[CrossRef]

J. Phys. D

Y. P. Yuan, L. Jiang, X. Li, C. Wang, H. Xiao, Y. F. Lu, and H. L. Tsai, J. Phys. D 45, 175301 (2012).
[CrossRef]

J. Raman Spectrosc.

Y. Chen, J. J. Jaakola, A. Säynätjoki, A. Tervonen, and S. Honkanen, J. Raman Spectrosc. 42, 936 (2011).
[CrossRef]

Langmuir

L. Rivas, S. Sanchez-Cortes, J. V. Garcia-Ramos, and G. Morcillo, Langmuir 16, 9722 (2000).
[CrossRef]

Opt. Express

Opt. Lett.

Phys. Lett. A

C. Wang, L. Jiang, F. Wang, X. Lin, Y. P. Yuan, and H. L. Tsai, Phys. Lett. A 375, 3200 (2011).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett.

K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, L. T. Perelman, I. Itzkan, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 78, 1667 (1997).
[CrossRef]

H. X. Xu, E. J. Bjerneld, M. Kall, and L. Borjesson, Phys. Rev. Lett. 83, 4357 (1999).
[CrossRef]

Science

S. M. Nie and S. R. Emory, Science 275, 1102 (1997).
[CrossRef]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1.
Fig. 1.

SEM images of the silicon substrates morphology after the two-step process. (a) Overall structure (25μm×25μm) processed at various pulse delays; local structure (2.5μm×2.5μm) processed at the pulse delay of (b) 200 fs, (c) 400 fs, and (d) 600 fs.

Fig. 2.
Fig. 2.

SERS spectrum of substrates fabricated by pulse train of different time delay. Black, 400 fs; magenta, 600 fs; green, 200 fs; blue, 0 fs; red, the unprocessed region in the first step (reference).

Fig. 3.
Fig. 3.

SERS spectrum of substrates fabricated by different scanning speed. Black, 0.3mm/min; magenta, 0.6mm/min; green, 1.2mm/min; blue, 3mm/min; red, the unprocessed region in the first step (reference).

Tables (1)

Tables Icon

Table 1. EFs with Different Time Delay

Equations (2)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

2AgNO32Ag+2NO2+O2.
EF=ISERSNSERS/InRNnR,

Metrics