基于模板技术电化学制备纳米结构及其表征

摘要

随着人类社会的发展，人们对能源、环境等一系列问题越来越重视。纳米结构材料由于其独特的物理化学性质在光伏发电、光电器件、光催化、水分解制氢、传感器及数据存储等方面受到了业界的广泛关注。相关研究的不断深入，也使得纳米科技的产品正在逐渐改善人们的生活。有序纳米结构相比一般的纳米材料具有更加优异的性能，因此通过高效低廉及可控的方法制备有序纳米结构材料是近年来的研究热点之一，研究其物理化学特性也会促使有序纳米结构材料在未来的器件等领域得到重要的应用，推动社会的发展。本文通过模板辅助的电化学技术成功实现了多孔铜铟镓硒薄膜和钴纳米管阵列的合成，对其进行了表征，并研究了相关的物理性质。本文主要分为以下三个部分：
　　第一，本文首先介绍了模板限域合成法的特点及其在合成纳米结构材料上的应用。阳极氧化铝模板由于其高效、结构有序、成本低廉，是目前广泛采用的模板之一。本文重点阐述了阳极氧化铝模板的生长机制、结构调控以及在合成有序纳米结构上的应用。采用高场两步阳极氧化法在磷酸、草酸溶液中制备了高度有序的阳极氧化铝模板。扫描电镜结果显示模板的孔道较为有序，成六边形蜂窝状排列，孔径随高场电压的变化可调。此外我们还通过逐级降低电压的方法制备了孔道具有空间结构的分叉型阳极氧化铝模板。
　　第二，本文通过在自制的阳极氧化铝模板上镀金作为电极，利用电沉积法制备了具有阳极氧化铝表面形貌的多孔铜铟镓硒薄膜。扫描电镜结果显示了薄膜由细小的纳米颗粒组成，整体形貌呈现为六角蜂窝状阵列结构。X射线衍射谱（XRD）和拉曼光谱的分析则表明了薄膜在550℃下退火处理后结晶为较好的黄铜矿结构，晶粒尺寸相比退火前更大。此外，通过对实验初期各元素组分的能量色散谱（EDS）结果分析，探讨了铜铟镓硒薄膜的形成机制。薄膜沉积的初期通过Cu-Se二元相沉积在衬底表面，而In和Ga两种元素的还原则依赖于Cu-Se二元相，在实验过程中逐步沉积出来。实验的各项条件也会对成膜的质量有很大的影响，如pH值低于1.7时，Ga元素很难还原出来，电解液中各元素的初始浓度及退火处理也会对薄膜的组分产生一定的影响。本文制备的多孔铜铟镓硒薄膜具有较好的化学组分和优良的黄铜矿晶体结构，这不仅拓展了铜铟镓硒材料的研究范围，也为以后进一步探究其物理化学特性的应用提供了良好的基础。
　　第三，本文通过纳米通道限制的原电池沉积技术在氯化钴的乙醇溶液中制备了钴纳米管。基于金属的氧化还原反应，溶液中的钴离子会自发的沉积在模板上镀金电极的表面，从而在阳极氧化铝模板的孔道中形成纳米管结构。钴纳米管的结构参数由模板的孔道控制，XRD结果显示了孔道中六角密堆积结构的钴纳米颗粒生长的 C轴垂直于钴纳米管的轴向，物性测量系统（PPMS）的研究则表明钴纳米管的磁化易轴垂直于纳米管轴向，纳米管长径比的增大会导致矫顽力逐渐变小。本文制备的钴纳米管磁滞回线相比典型的纳米管结构有所差异，这应该是由沉积在阳极氧化铝模板背面的一层钴微粒薄膜引起，这种特殊的磁学特性或将在磁开关等方面具有潜在应用价值。

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符号与标记

第一章 绪论

1.1 纳米结构的基本概念

1.2 纳米结构材料的制备与性能

1.3本文的主要研究内容

1.4本章小结

参考资料

第二章 模板合成法及阳极氧化铝模板的制备

2.1 模板合成法

2.2 多孔氧化铝模板

2.3 阳极氧化铝模板的制备

2.4 本章小结

参考资料

第三章 多孔铜铟镓硒纳米薄膜的制备与表征

3.1引言

3.2多孔铜铟镓硒薄膜的制备及表征

3.3 本章小结

参考资料

第四章 钴纳米管的制备及磁性研究

4.1引言

4.2 钴纳米管的制备与表征

4.3 本章小结

参考资料

第五章 总结与展望

致谢

攻读硕士期间发表的论文