金纳米材料的可控合成及微纳结构制备技术研究

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金是一种贵金属材料,是化学性质最稳定的元素之一,金纳米颗粒不仅沿袭了其体相材料的稳定性,而且还具有特殊的理化性质,如良好的生物兼容性,独特的表面效应、小尺寸效应、量子效应、电磁效应等。因而金纳米材料在纳米技术研发领域受到广泛关注,并引发众多科研工作者对之进行深入的研究,至今已在催化、微电子、生物传感、细胞成像、心脏补丁、光热治疗等研究应用领域取得了很大的进展。它也为新器件的开发和工程研究提供一个崭新的思路。纳米材料的可控制备技术发展水平在一定程度上反映了微纳米技术的发展水平。因此研究纳米金的制备工艺、形貌控制技术具有重要意义。本文以金纳米维数、形貌、尺寸可控为研究目标,对可控制备工艺、表面增强拉曼效应、异质结组装的关键技术进行了探索。  本文介绍了一种电沉积与交流介电电泳相结合,电场辅助的,无模板可控制备工艺。它具有以下几个优点:第一:整个制备过程中无需催化剂和模板不会引入外界杂质;第二:该方法灵活可控,能够合成和组装多种尺寸、均匀良好表面形貌的金纳米材料。第三:该方法简单可靠,通过电场辅助可控组装金纳米晶体在目标位置或纳米芯片电路。文中引入了交流介电电泳电沉积和微纳米加工技术相结合的工艺可控合成多种形貌的金纳米晶体,基于介电电泳理论采用有限元的方法建立数学模型研究了电化学组装时各种参数的影响,提出电压幅值越大利于生长连续的纳米线结构,电极尖端的电场平方的梯度决定了生长点和生长方向,信号频率决定了纳米线的表面光滑度和生长密度。根据Gouy-Chapman模型,电极和液面的界面在低频时有效电压增大,产生很强的介电电泳力,因此在电极表面有很强的收集能力,从而产生了致密多分叉的纳米结构。另外随着电场平方梯度增大生长速率非线性的逐渐增大。最后通过配置生长实验过程中的实验参数和标准光刻工艺的电极获得了零维金纳米颗粒,一维金纳米线,二维的致密金纳米网,三维珊瑚状金纳米结构,以及以电极为生长支架的三维金微纳米狼牙棒结构。  在可控合成的基础上开展了金纳米晶体的表面拉曼增强效应和一维纳米异质结的组装工艺研究,测试结果表明可控合成的纳米结构可明显增强探测分子的拉曼信号和提高检测灵敏度,不同表面形貌的纳米结构对信号的增强程度不同。一维单壁碳纳米管在1600nm波长处检测强度增强了约55倍,以金纳米网为检测基底可检测到的浓度为10-9mol/L罗丹明B拉曼信号;一维金纳米线和单壁碳纳米管组装的异质结结构其IV特性测试结果表明异质结结构单元具有明显的肖特基效应,电流开关比约为106。文中所研究的异质结构将在纳米尺度电子器件和电化学传感中有潜在的应用价值。
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