基于AAO模板交流电制备铜纳米线及载Cu多孔膜抗菌性能研究

摘要

一维结构的铜纳米线由于具有较高的导电率，在纳米电子器件、生物传感器等方面具有巨大的应用前景而备受人们的关注。如何制备尺寸均匀、可控，分散性好的铜纳米线是其工业化应用进程中亟待解决的问题。多孔氧化铝膜模板(AAO)具有纳米级孔洞，孔径可控，孔道间相互独立，成为制备铜纳米线的首选模板;交流电沉积技术操作简便，不需要对模板进行繁杂的预处理，即可较好地制备铜纳米线。因此，研究高质量的AAO模板的制备工艺，以及交流电沉积铜纳米线的条件是本文的重点。
　　制备AAO模板的最佳工艺条件:硫酸浓度0.5mol/L，温度0℃，采用恒定电流密度1.4A/dm2二次阳极氧化时间3h;草酸浓度0.3mol/L，温度0～5℃，采用恒定电压45V二次阳极氧化时间4h;磷酸浓度0.4mol/L，温度0～5℃，采用恒定电压100V二次阳极氧化时间4h。采用SEM、XRD、EDS以及电涡流测厚仪对AAO模板形貌、结构进行表征和分析，结果表明:氧化膜为非晶态的γ-Al2O3，具有致密排列的六边形多孔结构，孔道与基体表面垂直。硫酸系AAO模板孔径50nm，孔密度3.6×1011个/cm2，膜厚32μm;草酸系AAO模板孔径100nm，孔密度1.5×1011个/cm2，膜厚20μm;磷酸系AAO模板孔径130nm，孔密度2.4×1010个/cm2，膜厚16μm。
　　工艺条件对AAO模板的影响:在预处理阶段，高温退火一定程度上有利于提高铝片的结晶度取向，但是对AAO模板的形貌影响有限;电化学抛光使得铝表面呈现镜面效果，对AAO模板的孔洞排列有序性有影响。在阳极氧化阶段，氧化电压决定了AAO模板孔洞的大小，随着氧化电压增大，孔径增大，孔密度减小，反之亦然;氧化电流密度与AAO模板的形成效率有关，0.8～1.4A/dm2的氧化电流密度可缩短膜孔形成时间，增加膜厚;另外，多孔氧化膜的厚度还与氧化时间成正比，但最终会达到极限厚度。后期的扩孔处理对AAO模板质量有较大的修饰作用，本实验均采用室温下5％H3PO4扩孔处理AAO模板30min，可以扩大孔径，使膜孔形状趋于规则。
　　采用交流电沉积技术沉积组装Cu纳米线。电沉积的电镀液配方:CuSO4·5H2O20～120g/L，H3BO320g/l，MgSO4·7H2O20g/L，H2SO4适量，用于调节电解液pH=2.0。交流电沉积工艺参数:交流电频率50～100Hz，交流电电压10V，室温条件下交流电沉积20min。本实验均较成功地制备出Cu纳米线。
　　采用SEM、TEM、XRD以及EDS对铜纳米线的形貌、物相结构以及成分进行表征和分析，结果表明:各酸系Cu纳米线的直径与其相应的模板孔径相当，硫酸系Cu纳米线的直径约50nm，长度2.5μm;草酸系Cu纳米线的直径约90nm，长度4μm;磷酸系Cu纳米线的直径约100nm，长度1μm。采用EDS和XRD分析了组装在AAO模板中的物质为金属铜，沿着Cu(111)晶面择优生长。探讨了交流电制备Cu纳米线的形成机理。电解液浓度、交流电电压和沉积时间对Cu纳米线沉积效果都有较大的影响。
　　采用抑菌圈法和菌落计数法测试了载Cu多孔膜的抗菌性能，结果表明:固体平板上的抑菌圈直径达到20mm，对金黄色葡萄球杆菌的抗菌率在85％以上，表现出了良好的抗菌性能。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 Cu纳米线制备技术的研究现状

1．2．1 Cu纳米线的气相生长

1．2．2 Cu纳米线的液相生长

1．2．3 Cu纳米线的模板法

1．2．4 Cu纳米线的其他制备方法

1．3 研究目的与主要内容

1．3．1 本文研究的目的

1．3．2 本文的主要内容

第二章 试验方法及工艺流程

2．1 试验材料

2．2 试验药品及仪器

2．3 Cu纳米线制备工艺流程

2．3．1 AAO模板制备

2．3．2 交流电沉积

2．4 Cu纳米线的表征

2．4．1 形貌观察

2．4．2 物相及成分测定

第三章 AAO模板的表征与分析

3．1 硫酸电解液制备AAO模板

3．1．1 AAO模板形貌(SEM)表征及分析

3．1．2 AAO模板物相(XRD)表征及分析

3．1．3 AAO模板能谱(EDS)表征与分析

3．2 草酸电解液制备AAO模板

3．2．1 AAO模板形貌(SEM)表征及分析

3．2．2 AAO模板物相(XRD)表征及分析

3．2．3 AAO模板能谱(EDS)表征与分析

3．3 磷酸电解液制备AAO模板

3．3．1 AAO模板形貌(SEM)表征及分析

3．3．2 AAO模板物相(XRD)表征及分析

3．3．3 AAO模板能谱(EDS)表征与分析

3．4 结果分析与讨论

3．4．1 多孔铝氧化膜生长过程分析

3．4．2 预处理对AAO模板形貌的影响

3．4．3 氧化电压对AAO模板的影响

3．4．4 氧化电流密度AAO模板的影响

3．4．5 氧化时间对多孔膜膜厚的影响

3．4．6 扩孔对AAO模板的影响

3．5 小结

第四章 交流电制备铜纳米线及表征

4．1 实验装置及仪器

4．2 Cu纳米线组装过程分析

4．3 Cu纳米线／阵列的表征与分析

4．3．1 草酸系Cu纳米线的表征和分析

4．3．2 硫酸系Cu纳米线的表征和分析

4．3．3 磷酸系Cu纳米线的表征和分析

4．4 Cu纳米线形成机理分析

4．5 影响交流电沉积的因素探讨

4．5．1 电沉积溶液的主盐浓度

4．5．2 交流电电压的影响

4．5．3 交流电沉积时间的影响

4．6 小结

第五章 多孔膜载Cu抗菌性能研究

5．1 试验内容

5．1．1 试验器皿、药品和实验设备

5．1．2 试验材料

5．1．3 抗菌性能实验

5．2 结果和与讨论

5．2．1 抑菌圈法

5．2．2 菌落计数法

5．2．3 抗菌铜在氧化膜孔内的形貌

5．3 抗菌机理分析

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢