功能化金刚石薄膜制备及其应用研究

论文摘要

金刚石薄膜材料具有极高的稳定性、极高的硬度、较宽的禁带宽度、传播声波速度快、负电子亲和势、以及化学惰性等性质,使得金刚石薄膜材料在场发射、微电子器件、电化学、生物医用器件、表声波器件以及微机电一体化等方面有广泛的应用前景。作为新型碳素电极材料,高掺杂硼复合多晶金刚石薄膜具有许多目前使用的电极材料所不可比拟的优异特性,如宽电化学势窗,低背景电流,极好的电化学稳定性,表面不易被污染以及良好的生物兼容性。本文在金刚石薄膜可控制备、电化学性质、表面功能化修饰钯纳米粒子和氧化锌纳米棒等方面开展了如下工作:1通过控制反应室中的生长压力,得到不同粒径大小的金刚石薄膜。金刚石晶粒大小随生长压力减小而减小,当压力为725 Pa时,可以得到粒径约为20-30 nm的金刚石薄膜。相对于掺硼微米金刚石薄膜电极而言,掺硼纳米金刚石薄膜电极表现出更优越的电化学性质。2制得的掺硼纳米和微米金刚石薄膜电极,不需要进行任何修饰,在碱性条件下有干扰物质如抗坏血酸和尿酸存在时可对葡萄糖进行选择性检测。同时具有很高的灵敏度、较宽的线性范围、很好的稳定性和重复性。3结合光刻技术通过化学镀方法,在金刚石薄膜表面实现了铜、镍和金微图形化。得到的金属镀层非常均匀、致密,且与基体结合力强,同时不会对金刚石薄膜表面造成任何破坏。此外,该方法操作简单、不需要昂贵的仪器设备。4通过化学镀方法在巯基功能化的金刚石薄膜表面得到了一层银纳米叶薄膜,银纳米叶薄膜厚度随着沉积时间增加而增加。与此同时调查了银纳米叶薄膜拉曼性质,结果表明得到的银纳米叶薄膜相对于通过银镜反应和自组装得到的银膜具有更强的拉曼增强性质。5采用沉淀法在掺硼纳米金刚石薄膜电极表面修饰一层氧化锌纳米棒束,并通过氧化锌与低等电点蛋白质酪氨酸酶之间的静电作用力,把酶固定到电极表面,构建了酪氨酸酶传感器。利用该传感器检测了对甲基苯酚,得到了较好的实验结果。6通过种子诱导法在纳米金刚石表面得到氧化锌纳米棒阵列,然后通过共缩聚方法使氧化锌纳米棒表面生物功能化,再把探针DNA固定到功能化氧化锌纳米棒表面,制成DNA荧光传感器。该传感器具有较好的荧光增强效果以及稳定性。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1 金刚石材料简介及其性质
• 1.1 金刚石材料简介
• 1.2 金刚石材料的优越性质
• 2 人工制备金刚石方法
• 2.1 高温高压法
• 2.2 低压法
• 2.3 水热、溶剂热法
• 2.4 炸药爆炸法合成纳米金刚石粉
• 3 金刚石的表面修饰
• 3.1 光化学修饰
• 3.2 电化学修饰
• 3.3 掺杂法
• 3.4 电子束照射法
• 3.5 化学方法
• 3.6 紫外光氧化
• 4 金刚石的应用
• 4.1 电化学领域的应用
• 4.2 生物和临床医学领域的应用
• 4.3 微电子器件
• 4.4 场发射应用
• 4.5 用作耐磨和减摩材料
• 4.6 表声波器件
• 4.7 抗激光损伤
• 参考文献
• 第二章 金刚石薄膜可控制备、表征及其电化学性质研究
• 1 研究背景
• 2 实验部分
• 2.1 实验材料及器材
• 2.2 不同粒径大小金刚石薄膜制备
• 2.3 电化学性质测定
• 3 结果与讨论
• 3.1 生长压力对金刚石颗粒大小的影响
• 3.2 电化学性质
• 3.2.1 电化学势窗测定
• 4Fe（CN）₆ 和亚甲基蓝在不同的金刚石薄膜电极上的电化学响应'>3.2.2 K₄Fe（CN）₆和亚甲基蓝在不同的金刚石薄膜电极上的电化学响应
• 4 结论
• 参考文献
• 第三章 硼掺杂金刚石薄膜电极直接电化学检测葡萄糖
• 1 研究背景
• 2 实验部分
• 2.1 仪器和材料
• 2.2 电极处理
• 2.3 电化学测试
• 3 结果与讨论
• 3.1 微米和纳米掺硼金刚石薄膜制备及表征
• 3.2 葡萄糖在 BDD 电极上的循环伏安曲线
• 3.3 氢氧化钠浓度的影响
• 3.4 在有干扰物质抗坏血酸和尿酸存在下选择性检测葡萄糖
• 3.5 电极的重复性和稳定性
• 4 结论
• 参考文献
• 第四章 金刚石薄膜表面化学镀铜、镍和金以及表面图形化
• 1 研究的背景及意义
• 2 实验部分
• 2.1 试剂、材料及仪器
• 2.2 Pd/Sn纳米粒子制备
• 2.3 氨基功能化金刚石表面制备
• 2.4 金刚石薄膜表面化学镀铜、镍和金
• 2.5 金刚石薄膜表面铜、镍和金图形化
• 3 结果与讨论
• 3.1 金刚石表面化学镀铜
• 3.2 金刚石薄膜表面铜、镍和金微图形化
• 4 结论
• 参考文献
• 第五章 金刚石薄膜表面银纳米叶构建及其在拉曼增强中的应用
• 1 研究背景
• 2 实验部分
• 2.1 试剂和材料
• 2.2 银纳米叶修饰金刚石薄膜表面制备
• 2.3 其他具有拉曼增强性质的银膜制备
• 3 结果与讨论
• 3.1 纳米银溶胶表征
• 3.2 纳米银溶胶的pH 值对银纳米粒子在氨基化金刚石电极表面组装的影响
• 3.3 γ-巯基丙基三甲氧基硅烷修饰的金刚石表面表征
• 3.4 银纳米叶的特性
• 3.5 银纳米叶薄膜的表面拉曼增强性质
• 4 结论
• 参考文献
• 第六章 纳米金刚石薄膜表面氧化锌纳米棒束制备及酶传感器研制
• 1 研究背景
• 2 实验部分
• 2.1 材料仪器
• 2.2 酶电极制备
• 3 结果与讨论
• 3.1 氧化锌纳米棒束的形成机理
• 3.2 氧化锌纳米棒束酪氨酸酶传感器构建
• 3.3 传感器的电化学响应
• 3.4 传感器的响应特性
• 4 结论
• 参考文献
• 第七章 金刚石薄膜表面氧化锌纳米棒阵列构建及相关应用研究
• 1.研究背景
• 2 实验部分
• 2.1 材料和仪器
• 2.2 金刚石薄膜表面各种氧化锌薄膜制备方法
• 2.3 氧化锌纳米棒表面功能化修饰
• 2.4 探针DNA 的固定、杂化和变性
• 2.5 其他氨基功能化表面的制备
• 3 结果与讨论
• 3.1 金刚石薄膜表面氧化锌纳米材料制备及表征
• 3.2 生物功能化氧化锌纳米棒阵列表征
• 3.3 基于氨基功能化ZnO/Si02核/壳纳米棒DNA荧光传感器性质
• 4 结论
• 参考文献
• 结语
• 发表文章以及参加学术活动情况
• 致谢