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为了有效提高纳米材料的应用性能以及设计新型功能纳米材料,复合纳米材料引起了人们的广泛研究兴趣。一方面,构筑复合纳米结构可以将不同组分的物理化学性质集成到同一个结构中,从而实现功能多样化。另一方面,相对于简单地机械混合几种单一的组分,不同组分之间的协同作用可能会使得复合纳米结构展现出独特的性能。从根本上来说,要想有效构筑复合纳米结构,不同的组分之间需要体现出互补或者协同的效果,因此,选择合适的组分来设计与构筑复合纳米结构显得尤其重要。由于Au纳米颗粒的金属特性、化学稳定性、表面等离子体共振性能以及表面增强拉曼散射(SERS)效应,使其成为了复合纳米结构中的一个重要组成部分。鉴于含Au复合纳米材料在能量转化、生物医药、催化、SERS信号检测等领域具有重要的应用价值,本人硕士论文期间的研究内容确定为含Au复合纳米材料的制备及其性能研究。
本硕士论文主要围绕三个研究内容进行:(1)Au与CuInSe2等Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2族半导体的复合纳米材料的制备及其光电性能研究;(2)Cu-Au合金纳米管等双金属复合纳米材料的制备及其性能研究;(3)光检测器等薄膜光电器件的制备及其测试。研究工作共分为四章,其内容概括如下:
第一章:简要地对复合纳米材料的组成类型、生长机理、性质研究及其应用进行了综述,并阐明了我们的选题依据与研究内容。
第二章:采用Au纳米颗粒作为晶种,运用分步注入法,成功制各得到Au@CuInSe2核壳纳米晶。与此同时,我们提出了以Au-Cu合金层作为过渡层,促进Au核表面生长CuInSe2并最终得到核壳结构的生长机理,并对该机理进行深入的分析与探讨。此外,通过构筑有机-无机复合光检测器,我们对Au@CuInSe2核壳纳米晶的光电性能进行了研究。实验结果证明Au@CuInSe2核壳纳米结构相比CuInSe2展现出了更优越的光电响应。进一步通过光吸收测试结果证实光电性能的增强可能是由于复合纳米结构中Au核的表面等离子共振特性有效地增强了CuInSe2壳层的光吸收性能。可以预期,这样的合成方法也可以用来制备其它核壳结构的复合纳米材料。
第三章:我们设计了一种以Cu纳米线作为模板,油胺与三辛基膦作为反应溶剂,在置换反应与Cu-Au合金化过程中的柯肯达尔扩散效应的协同作用下,成功制备得到高质量的具有五重孪晶结构的Cu-Au合金纳米管。此外,由于Cu-Au合金纳米管具有稳定性好以及容易构筑大量“热点”等优点,使得这种材料在表面增强拉曼散射(SERS)信号检测领域具有潜在的应用价值。与此同时,通过制备Cu@Ni核壳纳米线,我们也证实了这种方法可以用来有效地制备铜基双金属的纳米管或核壳纳米线。
第四章:采用分步注入法,我们成功地制备了Au-AgInSe2的异质结构与Au@InxSey核壳纳米结构。此外,为了研究复合纳米材料的光电性能,我们制备了光检测器等薄膜光电器件。通过采用光刻、真空蒸镀等微加工技术,可以制备以硅片为基底的高质量的微电极。在此基础上,将无机纳米晶与有机导电聚合物复合制备有机-无机复合光检测器,并将器件用于复合纳米材料的光电性能测试。此外,通过以CuInSe2纳米晶薄膜电极为例,我们研究了表面处理对纳米晶薄膜光电性能的影响。高质量半导体纳米晶薄膜的制备将为下一步组装高效率的光电化学(PEC)太阳能电池奠定基础。