论文部分内容阅读
本文采用物理方法辅助胶体晶体自组装技术,制备了不同形貌、尺寸、成分的贵金属及其合金纳米颗粒阵列。探索了实验参数对其影响,开展了光学性能等一系列研究。论文主要研究内容如下:基于目前湿化学法制备贵金属纳米颗粒存在颗粒形貌难以自由调控、含有表面活性剂及易于团聚等问题,发展了以单层PS球胶体晶体为模板,采用磁控溅射技术在表面沉积一层贵金属薄膜,通过热处理制备得到贵金属纳米颗粒阵列的方法。分别探索了薄膜沉积厚度、热处理温度等参数对贵金属纳米颗粒形貌的影响。该制备方法操作快速、简单、高效且无污染,为贵金属纳米颗粒阵列的制备提供了一种新的方法。结果表明,沉积厚度过多或过少时,均无法形成有序贵金属纳米颗粒阵列。通过在一定范围内调控沉积贵金属薄膜的厚度,能够制备不同尺寸的贵金属纳米颗粒。当沉积电流35m A,沉积时间在60 s-120 s时,能获得不同颗粒尺寸形貌均匀,尺寸均一的Au球形纳米颗粒阵列。对不同颗粒大小的Au球形纳米颗粒阵列的消光光谱进行了研究,其消光光谱出现了三个峰,分别位于452 nm、521 nm、641 nm附近。其中521 nm附近的是Au的表面等离子共振峰,随着颗粒的增大,该峰位发生蓝移。通过对热处理温度进行调控,能够得到不同形貌的贵金属纳米颗粒。以Pt为例,当退火温度为300℃,500℃,700℃和900℃时,分别获得了“帽状”,“杯状”,“米粒状”和“球形”的Pt纳米颗粒阵列。对不同形貌的Pt纳米颗粒阵列的消光光谱进行了研究。结果表明,样品的LSPR峰随着纳米颗粒形貌的变化发生相应的偏移。“帽状”,“杯状”和“米粒状”Pt纳米颗粒的横向局域表面等离子体共振峰从487 nm蓝移至453 nm,而纵向局域表面等离子体共振峰从1201 nm蓝移至898 nm。实现了横向和纵向局域表面等离子体共振峰分别在可见光和近红外较宽波段内移动。球形纳米颗粒由于结构上的高度对称性,表现为单一的LSPR峰(约386 nm),和由有序结构产生的阵列衍射峰(约635 nm)。进一步研究了球形Pt纳米颗粒的尺寸对其消光光谱的影响,结果表明,随着Pt球形颗粒直径的增大,LSPR峰和衍射峰均无明显偏移。在上述技术的基础上发展了以单层胶体晶体为模板,通过物理气相沉积和进一步的热处理,制备了尺寸均匀,组成可控,周期可控的合金(Au-Ag,Au-Cu,Au-Ag-Cu)纳米颗粒阵列。通过改变沉积过程中的溅射靶和胶体球模板的尺寸,能够分别控制纳米颗粒组成成分和颗粒间距,通过控制沉积金属薄膜的时间能够控制制备得到的金属颗粒的尺寸。采用阴影效应和去润湿模型分析了由金属薄膜转变为球形纳米颗粒的形成过程。系统地测量了合金纳米颗粒的局域表面等离子体共振峰(LSPR)和阵列的衍射峰,探讨了介电常数的变化对LSPR峰值和衍射峰值的重要影响。由于Au-Ag合金纳米颗粒的介电常数比纯Au纳米颗粒低,所以Au-Ag合金纳米颗粒阵列的LSPR和衍射峰都发生蓝移。随着Au-Ag合金纳米颗粒中Ag成分的增加,LSPR衍射峰蓝移。然而,与Au元素相比,Cu元素具有更高的介电常数,导致Au-Cu合金纳米颗粒阵列的局域表面等离子体共振(LSPR)和衍射峰发生红移。同样的,随着Au-Cu合金纳米颗粒中Cu成分的增加,LSPR衍射峰红移。而且,局域表面等离子体共振峰的吸收峰比衍射峰对纳米粒子的组成更为敏感。这项工作为制备LSPR峰和衍射峰可调的合金纳米颗粒阵列提供了一种新的策略,这将有助于提高其在热学、光学、电学等方面的实际应用。