金、银纳米颗粒的合成及其自组装研究

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金属纳米颗粒因表现出与体材料呈天壤之别的光、电、磁和热学等优异特性,吸引了众多科研工作者的关注历来已久,在生物催化、医学影像、磁性数据存储、传感器等应用中存在着不容小觑的发展前景。金属纳米颗粒的性质不但与颗粒的大小有着密不可分的关系,同时还依赖于颗粒的形貌特征。研究金(Au)、银(Ag)纳米颗粒的合成方法,不仅有助于我们更加准确地理解其所具备的独特性质,也为Au、Ag纳米颗粒成功进行自组装奠定了不可或缺的基础,而Au、Ag纳米颗粒的自组装又将进一步服务于纳米器件的构筑。本论文中,我们分别利用一步一相法和高温热注射法合成出了分散性良好、尺寸均一和形貌均匀的Au、Ag纳米颗粒,并通过液气界面自组装和溶剂挥发诱导自组装相结合的方式实现了Au、Ag纳米颗粒自组装形成可移植的单层薄膜,同时还进行了Au/Ag双组元纳米颗粒自组装为单层薄膜的研究,使用了紫外-可见分光光度计和透射电子显微镜分别对Au、Ag纳米颗粒及其自组装形成的可移植单层薄膜的光学性质和形貌进行了研究和表征分析,探讨了合成与自组装过程中的影响因素。具体的研究内容如下:(1)以三苯基磷氯金和甲硼烷-叔丁胺络合物为先驱体,十二烷硫醇作表面包覆剂,于100℃恒温反应5min便合成出分散性良好、形貌规则均匀、且平均粒径大小分别在6nm和4.5nm的Au纳米颗粒。十二烷硫醇对Au纳米颗粒的粒径和形貌具有明显的调控作用,Au纳米颗粒的粒径随十二烷硫醇用量的减小而增大。使用不同的溶剂分散Au纳米颗粒,进行UV-Vis测试发现,对于同一尺寸的Au纳米颗粒,表面等离子激元共振峰(SPR)的移动与分散溶剂的种类有关。该实验的合成体系为单一油相,合成出的Au纳米颗粒形貌均匀,尺寸均一且偏差约为7%,Au纳米颗粒在油相体系中的分散性和稳定性均比其在水相中的分散性和稳定性要更好,而且唯有该形貌均一、尺寸均匀的Au纳米颗粒才具备自组装形成长程有序、紧密堆积、厚度为单层纳米颗粒的均匀薄膜的条件。(2)以硝酸银和十二烷二醇为先驱体,油胺和十二烷硫醇分别为表面包覆剂,首先,于180℃恒温反应3min便合成出分散均匀、平均颗粒尺寸为4.5nm并且由油胺包覆的Ag纳米颗粒;其次,按照10mg Ag纳米颗粒∶20μL十二烷硫醇的比例,对应加入适量十二烷硫醇于常温持续搅拌1h便合成得到分散均匀、平均粒径大小为4.5nm且由十二烷硫醇包覆的Ag纳米颗粒。使用不同的表面包覆剂合成Ag纳米颗粒,所得Ag纳米颗粒的尺寸偏差均很小,不需再进行尺寸选择。还对分散在不同溶剂中的Ag纳米颗粒的光学性质与其表面包覆剂种类的关系进行了研究,以及对于某一尺寸的Ag纳米颗粒,SPR的移动与其表面包覆剂和分散溶剂的种类有关。(3)通过液气界面自组装与溶剂挥发诱导自组装相结合的方法,成功实现单分散的Au、Ag纳米颗粒自组装为可移植的单层薄膜,该单层薄膜即为颗粒排列整齐且规则有序的超晶格结构,还进行了Au/Ag双组元纳米颗粒自组装为可移植单层薄膜的探索。Au、Ag纳米颗粒进行自组装的方法是指采用所合成出的Au、Ag纳米颗粒溶液,将一滴(约10μL)颗粒浓度为1.0×10-6 mol/L的纳米颗粒溶液滴至面下相的表面,盖上玻璃片静置15-30min,即可得到Au、Ag纳米颗粒自组装形成的肉眼可见、无基底限制、自由悬浮的可移植单层薄膜,该单层薄膜的厚度均一可控,大面积连续,且可以在任意基片上进行移植。相比较于甲苯溶液作分散溶剂,使用高沸点的己烷溶液代替,能大大提高挥发速率,使得自组装过程在15-30min内便能完成。
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