金属氧化物微纳米晶体晶面可控生长与其特性研究以及纳米晶体在生物分子检测中的应用

摘要

晶体的各向异性决定了晶体中不同的晶面或取向将会表现出不同的物理和化学性质。因此，具有特定形状和表面结构的的纳米晶体将表现出特定的物理和化学性质，在实际应用中发挥重要的作用。所以，如何实现对纳米晶体不同形状和裸露表面的的可控制备，是本论文的宗旨。 本论文通过对研究体系(主要是金属氧化物)的晶体结构和晶体生长习性进行详细研究的前提下，利用晶体生长的各向异性，设计了一条在类似室温离子液体的溶液中通过对晶体表面能的调控实现纳米晶体形状和晶面可控生长的通用方法体系。即在由有机酸(如油酸)和有机碱(如已二胺)混合得到的类似于室温离子液体的特殊溶液中(R-COOH+R-NH2()R-COO-+R-NH3+)，通过其中大量的阴阳离子(酸根阴离子和铵根阳离子)与金属氧化物纳米晶体的极性晶面之间较强的静电吸附作用，有效地降低极性晶面表面的表面能，改变晶体各晶面间表面能高低的相对顺序，从而使通常难以裸露的极性晶面得以稳定并裸露出来，改变晶体的最终形状。利用该方法我们实现了各种不同类型金属氧化物纳米材料的形状控制合成： (1)通过在油酸和有机胺的混合溶液中，即存在大量酸根负离子和胺正离子的环境中，热分解醋酸锌，首次成功得到了全部以极性晶面(0001)和{10-11}作为裸露晶面的发光材料ZnO微/纳米六棱锥结构。ZnO六棱锥结构的合成，不仅进一步丰富了ZnO纳米家族，同时{10-11}极性晶面这一非常规晶面的裸露，为我们进一步开发与该晶面相关的新的性质和应用提供了基础。 (2)进一步我们采用室温阴极荧光(CL)技术，直接研究了ZnO六棱锥不同晶面{10-11}、(000-1)和{10-10}的荧光性质，得到了与晶面相关的绿带荧光发射。通过对不同晶面表面原子结构的研究，我们认为ZnO微-纳米晶体的绿带发射主要来源于ZnO微-纳米晶体表面及表面附近的缺陷。 (3)进一步我们将体系拓展到ZnO基稀磁半导体的晶面可控合成，首次合成了由极性晶面{10-11}和(000-1)裸露的Zn1-x CoxO和Zn1-x MnxO六棱锥状纳米晶体；并表征了稀磁半导体Zn1-x CoxO和Zn1-x MnxO的磁性。磁性分析表明这两种稀磁半导体在高温时表现为反铁磁性，而低温时表现为铁磁性。 (4)此外，我们还将该方法拓展到熔盐型金属氧化物CoO、MnO体系，首次成功合成了完全由极性晶面{111}裸露的CoO、MnO八面体纳米晶体。值得注意的是，尺寸和形貌均一的MnO八面体纳米晶体自组装形成了三维超晶格结构。我们对其可能的形成机理也进行了探讨。 此外，我们还与美国的科研团队合作，开展了将纳米材料应用到生物医学体系的探索，研究了表面增强拉曼(SERS)纳米生物传感器的设计合成及应用：主要基于长程等离子共振耦合效应和生物共轭的金纳米粒子，设计了表面增强拉曼纳米生物传感器，用于进行DNA等生物分子的检测。该传感器具有比传统的生物传感器更高的灵敏度和更好的选择性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

引言

§1.1纳米材料形状控制的意义

§1.2纳米晶体形状(晶面)控制的基本理论及方法

§1.3本论文的选题依据和研究内容

参考文献

第二章ZnO纳米晶体晶面可控生长

§2.1前言

§2.2设计原理

§2.3实验部分

§2.3.1实验药品

§2.3.2实验方法

§2.3.3仪器表征

§2.4实验结果与讨论

§2.4.1 ZnO六棱锥的形貌和结构表征

§2.4.2其他有机胺的作用

§2.4.3离子的作用

§2.5本章小结

参考文献

第三章晶面可控ZnO六棱锥纳米晶体的光学特性研究

§3.1前言

§3.2实验部分

§3.2.1实验药品

§3.2.2实验方法

§3.2.3仪器表征

§3.3实验结果与讨论

§3.3.1 ZnO六棱微锥、ZnO纳米棒的荧光表征

§3.3.2 ZnO纳米晶体不同晶面的室温阴极荧光表征

§3.3.3 ZnO纳米晶体绿带发射机理探讨

§3.4本章小结

参考文献

第四章ZnO基稀磁半导体纳米晶体的晶面可控生长

§4.1.前言

§4.2实验部分

§4.2.1实验药品

§4.2.2实验方法

§4.2.3 仪器表征

§4.3结果与讨论

§4.3.1 Zn1-xCoxO稀磁半导体极性晶面的控制合成

§4.3.2 Mn掺杂的ZnO稀磁半导体极性晶面的控制合成

§4.4本章小结

参考文献

第五章氧化钴(CoO)纳米晶体晶面可控生长

§5.1前言

§5.2实验方案设计

§5.3实验部分

§5.3.1实验药品

§5.3.2实验方法

§5.2.3仪器表征

§5.4实验结果与讨论

§5.4.1 CoO纳米晶体的物相分析和形貌表征

§5.4.2 CoO八面体纳米晶体的微结构表征

§5.4.3离子的作用

§5.4.4尺寸控制

§5.5本章小结

参考文献

第六章氧化锰(MnO)纳米晶体晶面可控生长

§6.1前言

§6.2实验方案设计

§6.3实验部分

§6.3.1实验药品

§6.3.2实验方法

§6.3.3仪器表征

§6.4实验结果与讨论

§6.4.1 MnO纳米晶体极性晶面的控制合成

§6.4.2 MnO八面体的自组装

§6.5本章小结

参考文献

第七章SERS纳米生物传感器的设计合成及应用

§7.1前言

§7.2实验方案设计

§7.3实验部分

§7.3.1实验药品

§7.3.2实验方法

§7.3.3仪器表征

§7.4结果与讨论

§7.4.1 SERS 探针的表征

§7.4.2直接检测

§7.4.3三明治型检测

§7.5本章小结

参考文献

附录：博士期间取得的科研成果

致谢