金、银纳米粒子的合成以及表面光谱特征和应用

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纳米材料所取得的进步证明了其在合成化学、材料科学、物理、生物等众多科技领域有着巨大的发展前景,尤其是金属纳米材料所具有的特殊物理和化学性质使其在电学、磁学、光学和催化等诸多领域表现出了很好的应用特性。因此对于贵金属的金、银纳米颗粒的制备与研究一直是科技工作者研究的重点,对于金、银纳米金属颗粒的可控制备及性能的研究报导很多。尽管如此,目前对于金、银纳米金属颗粒有序结构的制备与组装等方面的研究成果有限。另外,金属纳米颗粒因小尺寸效应、宏观量子隧道效应、介电限域效应等,所以具有了金属块体所没有的特殊的物理性能。特别是金属纳米颗粒所具有的表面等离子体,使金属纳米颗粒具有了很好的光学特性。尤其近几年来,随着金、银等金属纳米颗粒的表面增强拉曼散射效应的进一步确认,对于金、银等金属纳米颗粒光学性能方面的研究已经成为纳米材料研究领域的一个热点。表面增强拉曼散射(SERS)现在已经发展成为一种研究分子与金属表面作用的高灵敏度分析工具。目前人们普遍的看法是,金属表面纳米尺度(5-100nm)或原子尺度(吸附原子或原子簇)的粗糙度是获得SERS效应的关键。SERS效应的强弱不仅和金属的性质、入射光的频率有关,而且还与金属纳米结构的颗粒大小、形状及颗粒之间的间距有关。因而对SERS基底的研究不仅能极大的拓宽SERS的应用范围;提供适当的模型来检验SERS理论从而促进人们对SERS机理的认识;同时还有利于深入研究表面纳米结构体系的各种独特的物理和化学性质。鉴于此,本论文也将对制备出的金、银等纳米有序结构的光学性能进行研究,以期获得有价值的研究结果.围绕金、银纳米有序结构的制备及光学性能研究为主要内容,采取的主要技术路线确立如下:第一,探索制备具有较高SERS活性和稳定性基底的新方法;第二,制备过程中实现对纳米粒子大小、形貌和晶体结构的控制,以合成出具有各向异性的纳米粒子,并研究其SERS活性。本论文通过合成金、银纳米粒子,采用自组装技术,在玻璃表面构筑有序的纳米结构,建立表面增强拉曼光谱(SERS)研究金属/分子/金属界面电荷转移的新技术,对金属纳米粒子组装阵列中功能分子的界面行为进行详尽研究,为微/纳电子器件的基础问题研究探索新的途径。本论文主要开展了以下三方面工作:1.合成粒度分布均匀、性能稳定的金、银溶胶,采用自组装方法,分别以对巯基苯胺和1,4-二巯基苯为耦联分子,在玻璃片基底表面上构筑了银纳米粒子的单层、双层和三层有序结构。利用UV-Visiable技术,发现在组装结构中银纳米粒子之间的相互作用对表面等离子体共振的影响,利用SERS技术研究在不同结构的银纳米粒子组装体中偶联分子的拉曼散射信号的强弱及其影响因素。2.采用化学合成方法制备的银纳米线,粒径均匀、性能稳定。采用自组装方法,分别以对巯基苯胺为耦联分子,SEM表明在银纳米线表面上构筑了金、银纳米粒子/PATP/银纳米线的有序结构。表面增强拉曼光谱研究表明,在有序金、银纳米粒子/PATP/银纳米线组装体中偶联分子的拉曼散射得到很大增强,其中对巯基苯胺的拉曼散射增强效应主要来自金、银纳米粒子与银纳米线间的电荷转移。3.本文经由化学合成方法来制备不同形状的金纳米材料,合成了均匀的球形,星型,内球状、花形等金纳米粒子。探讨温度、反应物浓度对产物生长方式和颗粒形貌的影响,并研究不同形状的金纳米颗粒的形成机理。考察了金纳米粒子形状对其表面等离子体共振的影响,并以MBA、R6G为探针分子,应用傅里叶变换拉曼光谱仪研究不同形状的金纳米粒子作为基底的拉曼增强作用。通过增强因子的计算以及粒子稳定性的研究,进一步探索了这种纳米粒子作为SERS基底在痕量检测和生物鉴定中的应用前景。
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