单层密排贵金属纳米颗粒孔阵列结构的制备及研究

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近几十年来,亚波长尺寸的贵金属纳米颗粒的制备技术得到了飞速发展,贵金属纳米颗粒所产生的表面等离激元共振能将入射电磁波限制在颗粒表面,形成巨大的局域场增强,突破光学衍射极限,并且具有很高的调控性。因此贵金属纳米颗粒在生物传感器、超材料、非线性效应等高集成度光电子器件领域具有很大的应用价值。而基于贵金属纳米颗粒的二维密排阵列结构具有更高的局域场增强、可调控、集成化、微型化等特征,可以提高传统传感器与光电器件性能,促进器件的集成化与微型化,例如拉曼检测传感器、太阳能电池、光电存储器件等,从而成为微纳光电子领域的研究热点之一。其中对于贵金属纳米颗粒孔阵列结构而言,因其独特的光学异常透射现象,激起了研究者们对其广泛的研究兴趣。目前,采用自上而下的物理刻蚀方法可以得到规则的孔阵列结构,但成本高昂且不方便调控;也有自下而上的嵌入自组装方法来制备纳米颗粒孔阵列结构,但现有自组装技术里对纳米颗粒大小与材质、孔洞尺寸有着较高要求,调控性低。本文提出了一种单层密排贵金属纳米颗粒孔阵列结构的自组装制备方法。这种自组装方法不同于以往报道的嵌段聚合物自组装,开发了一种新的基于贵金属纳米颗粒孔阵列结构制备方法,该方法适用于金纳米球、金纳米立方体、金纳米棒等颗粒,并适用于具有不同形貌的贵金属纳米颗粒体系。在该方法中,通过对贵金属纳米颗粒浓度以及牛血清蛋白浓度的调整可以实现孔洞大小在1-10μm范围内的调控。并且所制备的阵列结构可以方便地转移到不同基底。此外,相比于使用传统物理刻蚀的方法制备阵列结构,该方法解决了制备成本高昂,加工步骤繁琐等问题。基于该方法制备的贵金属纳米颗粒孔阵列结构,为相关微纳光电子器件的设计和实现奠定了基础。本论文的具体工作如下:(1)采用种子生长法制备了金纳米球颗粒与金纳米立方体颗粒,通过对金纳米颗粒种子的浓度、氯金酸的用量以及抗坏血酸量的调整,实现金纳米颗粒不同尺寸的制备,实现了局域共振峰位的大范围调控。通过对制备过程中条件的严格控制,得到了两类金纳米颗粒尺寸分布范围窄,形状规则。为下一步的自组装过程打好了基础。(2)实验发现在贵金属纳米颗粒界面自组装方法中,将去离子水溶液替换为牛血清蛋白溶液时,可以调整金纳米颗粒氯仿溶剂在界面的扩散速度,制备了四种贵金属纳米颗粒密排体系,分别是单层密排金纳米球颗粒薄膜结构与孔阵列结构、单层密排金纳米立方体颗粒薄膜结构与孔阵列结构。对四种结构进行了表征,结果表明在较大面积范围内,单层密排金纳米颗粒孔阵列结构颗粒排列整齐、孔洞尺寸较为一致、厚度均匀。(3)对单层密排金纳米颗粒孔阵列结构的影响因素进行了探究,实验结果表明,对金纳米球与金纳米立方两种颗粒而言,牛血清蛋白溶液浓度在0.1-1%w/t时孔洞结构最均匀,且通过变化纳米金颗粒浓度可以实现孔洞尺寸在1-10μm范围之间的调谐。
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