一维金银纳米粒子的制备及其定向阵列的构筑与偏光性能研究

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一维金属纳米材料的优异光学性能与纳米粒子的尺寸形貌密切相关,对一维纳米粒子的尺寸形貌进行有效控制尤为重要。虽然制备形貌可控一维金属纳米粒子的方法日益多样化,但此领域依然处于初步研究阶段,一维金属纳米粒子的长径比变化机理仍未能被科学家全面解释,对于纳米粒子的形貌可控研究有待更进一步发展。定向排列的一维金属纳米粒子阵列具有优异偏光性能,与传统偏振片相比其受光角度大、性能稳定,受到了人们愈来愈多的关注,科学家们对定向方法做了大量研究,然而如何简便地构筑定向效果显著的、大面积的一维金属纳米粒子阵列仍待解决。基于目前国内外一维金属纳米粒子研究现状,本文采用晶种法制备出长径比可调的Au纳米棒,对长径比变化机制做出合理解释,并研发新型长径比调节工艺;采用多元醇法制备出高产率的Ag纳米线,对制备工艺对纳米线形貌的影响做了系统研究;通过吹泡法和拉伸法实现了对金银一维纳米粒子的定向排列,并对其定向阵列进行了偏光性能研究。本研究主要内容包括:  ⑴采用晶种法制备出长径比在2-5范围内可调的金纳米棒。十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)在Au晶体不同晶面的吸附能力修饰了Au晶种的不同晶面的生长速率,诱导了一维棒状的形成。通过改变生长溶液的总浓度,同比例调节抗坏血酸与氯金酸浓度,改变晶种溶液浓度,调节溶液pH值,对纳米棒长径比进行了可控调节,并提出合理假设解释了上述条件变化对纳米棒长径比的调节机制。在假设基础上,不局限于改变传统条件来调节长径比,通过对生长溶液进行超声处理、引入催化剂Cu2+,对纳米棒长径比进行了调节。Ag+和CTAB浓度同样影响纳米棒长径比,其根本原因是Ag+和CTAB浓度变化导致了CTAB在纳米棒顶端或者侧面吸附程度的变化。  ⑵通过多元醇晶种法成功制备了高产率Ag纳米线。纳米线长度在2-10μm,直径在75-150nm,长径比不均一,纳米线为五棱柱状。PVP作为表面活性剂在晶种不同晶面的不同吸附能力是线状纳米 Ag生成的诱因。研究发现,Ag纳米线的形貌受到PVP/Ag+摩尔比、反应温度、PVP加料速度的影响,当 PVP/Ag+摩尔比增大时,纳米线长径比逐渐降低,产物中颗粒增多,线状产率降低;当反应温度升高时,所得产物中Ag纳米线长径比降低,不规则颗粒增多,线状产率降低;快速的PVP加料,不利于一维 Ag纳米结构形成,缓慢滴加才能形成一维Ag纳米结构。  ⑶以环氧树脂为一维金、银纳米粒子分散基液,采用吹泡法、拉伸法成功地对Ag纳米线和Au纳米棒完成大面积定向,并获得最佳工艺参数。吹泡法最佳工艺参数为:环氧树脂悬浮液粘度在600-650 Pa·S范围内时进行吹泡,吹泡气压及提拉速度为P=0.15~0.2 MPA,V=15~20 cm/min;气泡高度约为80 cm,直径约为50 cm;取气泡膜的下部作为样品膜块。拉伸法的最佳工艺是:环氧树脂悬浮液粘度在500~750 Pa·s范围内时进行拉伸;拉伸速度为140 mm/min;拉伸高度为15cm。含银纳米线定向阵列样品在1350 nm-2500 nm光谱范围内产生了明显的偏光效应,并且随着薄膜中银纳米线间距的减小,其偏光效率呈现增大趋势;含金纳米棒定向阵列样品同样具有一定偏光性能,其偏光波段可以通过改变纳米棒的长径比进行调节。
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