银纳米片的可控合成及其等离子体共振特性研究

摘要

贵金属纳米材料具有表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)性质，可应用在诸多领域。电子振荡对材料尺寸、形状等物理参数变化较敏感，许多研究致力于通过控制合成过程改变这些参数，从而控制材料等离子体性质，但多数研究缺乏对合成规律的认识。在银纳米片的合成体系中，由于缺乏对合成过程的深入理解，导致重复以往文献，获得高质量及产率的银纳米片较困难。本论文通过研究银纳米片的合成过程，探索实验现象背后的规律，改善合成方法，实现对银纳米材料SPR性质的调控，研究内容如下：
　　本文系统地研究了直接还原法合成银纳米片过程中，每种试剂在反应中的作用，发现合成片状结构的关键并非普遍认为的柠檬酸根离子，而应为双氧水(H2O2)。双氧水作为一种强氧化剂，可诱导形成平面孪晶缺陷，利于片状结构的形成；同时双氧水可溶蚀其他相对不稳定的纳米结构，通过调整双氧水的氧化强度，不同形状的金属银源可以直接转化成银纳米片。选择吸附在银(111)面的封端剂，可从原来不可替代的柠檬酸钠(TSC)扩展到含有两个或三个羧基的化合物，只需满足相邻两个羧基之间含两个或三个碳原子即可。合成过程中的稳定剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)可被羟基化合物取代，不使用PVP的情况下也可获得稳定性好、形貌均匀的银纳米片。硼氢化钠(NaBH4)在体系中不仅可作为还原剂还原银离子，同时还可作为封端剂从动力学上延长反应时间，通过调整NaBH4的浓度可控制银纳米片的厚度及长径比。
　　在晶种法合成银纳米片过程中，通过对比不同老化时间以及不同稀释溶度的晶种溶液对产物的影响，研究了晶种成核及晶种生长两个步骤之间，老化步骤的作用，认为老化过程的作用是去除晶种成核阶段残留在晶种溶液中的NaBH4，防止其在晶种生长阶段快速还原加入的银离子，而产生大量颗粒状纳米银。通过在晶种法合成银纳米片体系中引入双氧水，可有效地提高片状结构在产物中的比率，缩短反应所需时间，提高反应效率。反应过程中添加PVP可降低银离子的还原速率，使银离子在形成片状结构之后仍继续缓慢沉积在银(111)面上，改变纳米银片的长径比，使得产物形貌发生变化，产物稳定性降低。基于对合成银纳米片体系的理解，对晶种法合成银纳米片过程进行改进，不仅缩短了反应时间，而且提高了反应的产率、效率、重复性和稳定性，改进后的方法适用于大规模生产银纳米片。
　　考虑到纳米银材料的表面等离子体共振性质受诸多物理参数的影响和制约，采用紫外可见吸收光谱研究银纳米材料的光学性质。通过控制银纳米材料的形状(片状、线状和颗粒状纳米银)、片状纳米银的顶角变化(从尖锐的三角状逐渐变圆滑)、纳米银材料的尺寸(具有各向同性的颗粒状纳米银和具有各向异性结构的片状纳米银)以及材料的组成(纳米银颗粒和具有核壳结构的Ag@RF复合材料)，调控材料的SPR性质。对比研究发现，使用晶种法控制银纳米片的尺寸调控SPR性质，简单方便且效果最佳，可实现特定光谱范围内(400-900 nm)对材料SPR性质的连续调节。

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第1章 绪 论

1.1 纳米材料的表面等离子体共振性质

1.2 等离子体共振技术的应用

1.3 银纳米材料的合成方法

1.4 银纳米材料应用与合成中存在的问题

1.5 本论文研究目的意义与主要内容

第2章 实验材料与方法

2.1 实验试剂及设备

2.2 主要表征及测试方法

2.3 银纳米颗粒及其复合材料的合成

2.4 银纳米线的合成

2.5 银纳米片的合成

第3章 直接还原法合成银纳米片的研究

3.1 引言

3.2 UV-vis原位监测银纳米片形成过程

3.3 引发片状结构生成的关键性试剂探究

3.4 合成过程中各反应物的作用研究

3.5 反应规律的探讨与总结

3.6 本章小结

第4章 晶种生长法合成银纳米片的研究

4.1 引言

4.2 老化过程作用的研究

4.3 产物中片状结构比率的关键影响因素

4.4 银纳米片稳定性的研究

4.5 不同封端剂对产物的影响

4.6 反应规律探讨与总结

4.7 本章小结

第5章 银纳米材料表面等离子体共振特性的控制研究

5.1 引言

5.2 通过控制银纳米材料形状调控其SPR性质

5.3 通过控制银纳米材料尺寸调控其SPR性质

5.4 通过控制银纳米材料组成调控其SPR性质

5.5 不同方法对SPR性质调控的比较分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其他成果

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