胶体纳米盘的制备、组装及磁控光学性能调控

来源 :苏州大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liuyong19840815
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具有独特微纳结构的响应型光学纳米材料,可以在外界刺激下改变衍射、发射、吸收和折射等光学性质,在军工、传感、显示、防伪等领域具有广泛的应用前景。最近,研究者们开发了一类新型的智能光学材料,实现了利用单一磁场刺激调控多重光学性质,突破了常规智能光学材料只能调控一种光学性质的限制。尽管多重磁光效应材料的兴起为该领域发展注入了新的活力,但由于材料的选择范围有限,现有研究仅局限在一维各向异性的纳米构筑单元(例如纳米棒,纳米椭球等)上,严重影响了该领域进一步发展。因此,进一步拓展多重磁光效应的智能光学材料种类具有重要意义。例如,能否利用二维纳米粒子胶体组装阵列实现多重光学性能的调控仍是本领域的核心科学问题。针对上述问题,本文由二维纳米盘的可控制备出发,构筑二维纳米盘胶体阵列,随后利用小角X射线散射深度研究其组装规律,最终实现二维纳米盘胶体阵列的双光学性质调控这一研究目标,成功拓宽了单一刺激调控多种光学性质的智能光学材料的选材范围。本文具体研究内容如下:(1)首先,本章节发展了一种磁性各向异性二维纳米结构的可控制备方法。在过去的研究中,该类材料合成过程繁复且成本较高,因此,本文拟利用模板转化法间接制备镍包二氧化硅(Ni@SiO2)纳米盘。本章先利用水热法在150℃、24h的条件下获得均匀的Ni(OH)2纳米片,再利用溶胶-凝胶法于室温下制备了形貌均匀、尺寸可调、分散性优良的纳米盘。在大幅简化合成工艺,降低生产成本的同时,优化了颗粒表面的电荷分布和分散度,使其在组装过程中具有更高的自由度,打破过往各向异性组装单元选材范围的局限性,为智能光学纳米材料提供了一种新型组装单元。此外,进一步优化这些合成方案将有机会获得性能更加良好的二维纳米结构。该方法具有一定通用性,其有潜力拓展至类似的各向异性层状水滑石结构之中,以进一步研究其他金属化合物的制备组装。(2)其次,针对各向异性的非球颗粒组装行为难以操控这一问题,本章利用静电力和磁场共同控制的方法,成功实现各向异性的非球颗粒位置、取向的精确组装。通过对纳米盘纵横比的精确调谐以及小角度X射线散射(SAXS)的辅助表征,系统研究了 Ni@SiO2纳米盘胶体阵列的静电力自组装和磁诱导结构演变规律。实验证明在无磁场的情况下,纳米盘胶体阵列依靠静电力构成短程有序的多晶结构;施加磁场后纳米盘依靠磁场诱导,其取向一致性得到明显优化,但仍然为多晶结构。此外,该研究不仅为理解二维纳米颗粒的组装提供了新的思路,且该思路可以拓展至其他组装结构研究之中,进一步丰富各向异性纳米颗粒的组装模型。(3)最后,对于二维纳米粒子胶体组装阵列能否实现多重光学性能的调控这一挑战,本论文系统研究了 Ni@SiO2纳米盘作为智能光学纳米材料对外界磁场的响应能力,成功开发了一种以二维各向异性Ni@SiO2纳米盘为构筑单元的多重磁光响应材料。该智能光学材料一方面集成了磁响应光子晶体和磁响应液晶的优势,另一方面能够利用磁场的单一刺激,同时调控自身光子带隙和双折射两种光学性能。此外,该材料不具有磁场强度敏感性,使其在弱磁场下高效工作成为可能。本工作成功将多重磁光效应的选材由各向异性一维纳米结构拓展至二维结构,解决了单一刺激调控多重光学性能的智能光学材料的选材问题。本工作不仅开发了一种新型智能光学材料,亦为凝聚态物理提供了新的组装模型。
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