金、银纳米有序结构的制备与光学性能的研究

论文摘要

纳米材料由于具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应,从而产生了许多奇异的力学、电学、磁学、热学、光学和化学等特性,因而受到广泛关注,对纳米材料制备与应用的研究已经成为材料科学研究领域备受关注的热点。金属纳米材料,尤其是贵金属金、银纳米颗粒的制备与研究一直是科技材料领域工作者研究的重点,有关金、银纳米金属颗粒的制备及性能的研究报导很多,但对于金、银纳米金属颗粒有序结构的制备与组装等方面的研究成果则很有限。另外,金属纳米颗粒所具有的表面等离子体共振使其具有了很好的光学特性。尤其近几年来,随着金、银等金属纳米颗粒的表面增强拉曼散射效应、以及荧光增强效应的进一步确认,对于金、银等金属纳米颗粒光学性能方面的研究已经成为纳米材料研究领域的一个热点。但是,这些研究主要集中在金属纳米颗粒的形貌、尺寸、发色团和局域场等方面,对于其有序纳米结构的光学性能方面的研究较少。基于上述国内外的研究现状,本论文从金属纳米有序结构的构建入手,对金、银纳米有序结构的制备进行了研究和探索,然后对所获得的金、银纳米有序结构的光学性能进行了研究,得到的主要研究成果包括以下几个方面:1.运用扩散理论和热力学基础理论,对拉伸还原技术中的结晶过程、还原反应过程进行了讨论;对玻璃拉伸中的形变进行了受力分析;结合具体的实验实现了有序银纳米颗粒在玻璃中的定向排布。微结构测试表明:玻璃样品中银颗粒呈长棒状,直径约50～100nm,长100～800nm,它们沿玻璃拉伸的方向呈定向排列。相应的工艺参数如下:晶化温度615℃,保温时间12h;拉伸温度570℃,拉伸速度120mm/min;还原压力0.25Mpa,还原温度430℃,还原时间4h。2.采用干法银离子置换-掩模板辅助照射技术,对在玻璃中可控生成有序纳米银簇进行了探索。获得了向玻璃基体中进行银离子注入的干法银离子置换的实验参数:电压1.5kV;温度350℃;时间150min。荧光光谱的研究表明,紫外光照射可以达到银的还原,并成为了卤化银结晶生成的晶核;偏振光透过光谱测试表明,经热处理和还原后玻璃中产生了银纳米簇有序化排布的结构迹象。3.依据米氏理论,对含有序纳米银颗粒玻璃的光学吸收性能进行了理论计算,并对具有不同微结构特征的样品进行了对比分析,结果显示:样品测试所得的偏光性能参数与理论计算基本一致;研究表明,样品的偏振波段带宽与样品中所含椭球形银颗粒的长径比分布状态有关,并随银颗粒的长径比分布范围增加而变宽。同时,研究表明玻璃中存在不同结构的Ag纳米颗粒,即针状的Ag颗粒和线状的Ag颗粒链,这些结构都对光的偏振效应有贡献。4.采用Z-扫描技术对含有序纳米银玻璃的三阶非线性光学性能进行了研究,结果表明:当入射光偏振方向与银纳米棒的轴向平行时,非线性折射率和非线性吸收系数均达到最大值。在入射光波波长为780nm,激光强度为1.9GW/cm2的条件下,且当光偏振方向与银纳米棒的轴向呈现垂直状态时,得到最佳的单光子品质因子W=1.6和最佳的双光子品质因子T=0.16,能够满足光开关应用所需的W＞1和T＜1的要求。5.利用二次阳极氧化法制备了平均孔径约为60nm、有序度较高的AAO模板。获得了超纯铝电化学抛光的磷酸-硫酸-乙二醇新体系的配方及工艺参数,新体系具有无污染、抛光效果良好的特点;得到了二次阳极氧化法中各工艺对AAO膜孔结构有序性影响的规律。6.利用AAO模板的有序孔结构,获得了金纳米颗粒的规则点阵,经吸收光谱测试表明,这种有序金纳米结构的可见紫外吸收峰位于536nm处,峰形尖锐,且与理想的球形金纳米颗粒的峰值位置一致。通过热处理载玻片表面镀制的掺金TiO2溶胶,实现了金纳米颗粒的载持,对其光学性能研究中发现,该样品的可见紫外吸收峰产生了显著的红移,这主要归因于金纳米颗粒的等离子体共振吸收峰由于受到周围TiO2颗粒的影响而产生红移所致。同时,该样品具有显著的荧光效应,在633nm处出现了很明显的荧光峰,这主要是由于金纳米颗粒的局域电场受到周围TiO2颗粒的影响而产生改变所致。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 纳米材料的概念及其特殊效应
• 1.2 金、银纳米颗粒在液相中的合成
• 1.2.1 晶种法
• 1.2.2 模板法
• 1.2.3 光化学合成法
• 1.2.4 超声辅助合成法
• 1.3 金、银纳米颗粒在玻璃中的生成
• 1.3.1 热处理法
• 1.3.2 离子注入法
• 1.3.3 光热诱导法
• 1.3.4 离子交换法
• 1.3.5 电场辅助法
• 1.4 金、银纳米有序结构的制备
• 1.4.1 金、银纳米有序结构在玻璃体内的定向生成技术
• 1.4.2 金、银纳米有序结构的其他定向生成技术
• 1.5 金、银纳米颗粒的光学性能
• 1.5.1 金属等离子体共振吸收
• 1.5.2 线性光学性质
• 1.5.3 非线性光学性质
• 1.5.4 荧光效应
• 1.6 本论文的研究目的、意义和思路
• 第2章 有序纳米银颗粒在玻璃中定向生成的研究
• 2.1 引言
• 2.2 有序纳米银颗粒在玻璃内定向生成的拉伸还原法
• 2.2.1 实验部分
• 2.2.2 结果分析与讨论
• 2.3 有序银结构在玻璃中生成的干法离子置换-掩模辅助光照射法
• 2.3.1 实验部分
• 2.3.2 结果分析与讨论
• 2.4 本章小结
• 第3章 含定向纳米银颗粒玻璃的偏光性能研究
• 3.1 偏光效应的理论计算
• 3.2 实验部分
• 3.3 结果分析与讨论
• 3.3.1 偏振波段带宽与玻璃中银纳米颗粒长径比分布间的关系
• 3.3.2 偏振效应与玻璃中银纳米颗粒性状的关系
• 3.4 本章小结
• 第4章 含定向纳米银玻璃的三阶非线性光学性能的研究
• 4.1 引言
• 4.2 Z-扫描技术
• 4.2.1 Z-扫描技术简介
• 4.2.2 Z-扫描技术测量机理
• 4.3 实验部分
• 4.4 结果分析与讨论
• 4.4.1 玻璃的偏振光吸收与透过光谱
• 4.4.2 玻璃的偏振非线性吸收系数
• 4.4.3 玻璃的偏振非线性折射率
• 4.4.4 玻璃的非线性品质因子
• 4.5 本章小结
• 第5章 有序纳米结构制备用AAO模板合成的研究
• 5.1 引言
• 5.2 超纯铝片的电化学抛光
• 5.2.1 实验部分
• 5.2.2 结果分析与讨论
• 5.3 AAO模板的制备
• 5.3.1 实验部分
• 5.3.2 结果分析与讨论
• 5.4 本章小结
• 第6章 有序金纳米颗粒在AAO模板表面的生成及光学性能的研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 4^--/TiO₂溶胶溶液的配制'>6.2.1 AuCl₄^--/TiO₂溶胶溶液的配制
• 6.2.2 掺金溶胶凝胶的制备与光照还原
• 6.2.3 金纳米颗粒在玻璃表面的载持
• 6.2.4 金纳米颗粒在AAO模板表面的载持
• 6.3 结果分析与讨论
• 6.3.1 掺金溶胶光照还原的XRD测试
• 6.3.2 玻璃表面镀制掺金溶胶后的微形貌分析
• 6.3.3 AAO模板表面镀制掺金溶胶后的微形貌分析
• 6.3.4 不同状态金纳米颗粒的UV-Vis吸收光谱
• 6.3.5 不同状态金纳米颗粒的荧光光谱
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的文章和承担的项目
• 致谢