纳米多孔金属薄膜的制备及表面增强拉曼散射性能研究

摘要

脱合金方法制备得到的三维双连续结构的纳米多孔金属是一种特殊的多孔材料，具有高比表面积、均一性的孔分布、良好的导电性和导热性等特点，已经被应用于催化、光学、生物传感、能源存储、医学等诸多方面。迄今为止，脱合金方法已经成功制备了许多不同的纳米多孔金属，如纳米多孔金、纳米多孔银、纳米多孔铜、纳米多孔镍等。研究发现，前驱体的制备方法、元素组分选择和构成比例及脱合金的时间、温度和方式等都会对纳米多孔金属的形貌产生影响，普遍使用的前驱体制备方法对于成分的选择要求严格，而且难以得到尺寸较大、厚度可控的纳米多孔金属薄膜，研究新方法解决实际应用的特殊需求，对于纳米多孔金属的进一步推广使用具有重要意义。
　　表面增强拉曼散射光谱具有高灵敏度及可以提供分子定量和定性信息的分析光谱技术，其在化学、生物和环境分析领域方面的应用广泛。其增强效果是化学增强和电磁增强的共同作用，依赖于检测分子和基体的相互作用及贵金属表面的纳米结构，后者起到更大的作用，因此通过设计材料结构来提高材料增强效果的尝试很多。尽管灵敏度很重要，但是设计基体时，其他因素如可重复性、稳定性、均一性、制备方法难易等均需要综合考虑衡量。脱合金方法制备的纳米多孔金属应用于表面增强拉曼具有方法简单易重复，材料均一等有点，但是仍然需要提高材料的灵敏度和稳定性等问题，尤其是基于银和铜的纳米多孔金属体系，同时如何制备均一的、厚度可控的纳米多孔金属薄膜也是应用的难点之一。
　　本论文结合共溅射和脱合金方法成功制备了纳米多孔铜薄膜和自支撑的纳米多孔银薄膜，然后使用扫描电子显微镜、原子力显微镜、电化学扫描等手段对材料的微观结构和表面形貌进行详细表征，并测试了材料表面增强拉曼的灵敏性、重复性和稳定性等性能，分析了结构对性能的影响，最终得到性能良好、结构均匀的两种纳米多孔金属薄膜。具体研究内容如下:
　　1.通过铜钛常温下共溅射，制备得到了铜钛元素原子比为75∶25、65∶35和48∶52的三个组分的前驱体薄膜，测试发现厚度与时间呈线性关系，且溅射速率为11.3±0.2nm/min。使用0.03M的氢氟酸进行脱合金腐蚀，发现随腐蚀时间延长，纳米多孔铜的孔径变大，且表面粗糙度随之减小。表面增强拉曼性能测试表明对罗丹明6G分子，检测极限可达为10-9M，增强因子为4.71×107，分析认为纳米多孔铜的孔径大小和韧带粗糙度明显影响增强性能。
　　2.通过银铜双靶在铝箔上共溅射，制备得到由两种金属纳米颗粒堆积而成的AgxCu100-x前驱体薄膜。腐蚀过程分两步进行:盐酸腐蚀去掉基体铝箔，然后硝酸脱合金腐蚀得到自支撑纳米多孔银薄膜。本文实验表明基体对薄膜的整体性和表面缺陷影响很大，纳米多孔银薄膜的厚度控制可通过共溅射时间控制，前驱体成分和脱合金条件均会对孔径大小和形貌产生影响。对该材料进行表面增强拉曼性能测试，发现该材料可以检测10-7M的罗丹明6G分子，增强因子为5.10×105，同时实验表明薄膜具有良好的均一性、稳定性及性能可恢复性。

目录

声明

摘要

1．1 引言

1．2 多孔金属材料的介绍

1．2．1 多孔金属材料的常用制备方法介绍

1．2．2 脱合金法制备纳米多孔金属材料的研究现状

1．2．3 多孔金属材料的应用现状

1．3 表面增强拉曼散射光谱技术介绍

1．3．1 拉曼光谱和表面增强拉曼散射光谱技术的发展

1．3．2 表面增强拉曼散射光谱的机理

1．3．3 表面增强拉曼散射光谱的基体研究

1．3．4 表面增强拉曼散射技术的应用前景

1．4 大尺寸制备纳米多孔金属薄膜作表面增强拉曼散射光谱材料

1．4．1 研究现状

1．4．2 研究存在的难点

1．5 论文的研究目的和主要研究内容

2．1．1 实验所需原材料

2．1．2 材料制备仪器

2．2 材料结构表征

2．2．1 微观结构表征仪器

2．2．2 电化学表征材料粗糙度方法

2．3 表面增强拉曼散射性能测试

第3章 两步法制备纳米多孔铜薄膜及表面增强拉曼散射光谱应用

3．1 引言

3．2 纳米多孔铜薄膜的制备

3．3 结果及讨论

3．3．1 前驱体Cu75Ti25薄膜的制备及表征

3．3．2 不同腐蚀时间对孔结构的影响研究

3．3．3 纳米多孔铜薄膜的表面增强拉曼散射性能

3．4 本章小结

第4章 自支撑纳米多孔银薄膜的制备及表面增强拉曼性能研究

4．1 引言

4．2 自支撑纳米多孔银薄膜的制备方法

4．3 结果及讨论

4．3．1 AgxCu100-x前驱体薄膜制备

4．3．2 自支撑纳米多孔银薄膜的制备

4．3．3 纳米多孔银薄膜的表面缺陷及韧带形貌研究

4．3．4 纳米多孔银薄膜的孔径调控和厚度调控研究

4．3．5 表面增强拉曼散射性能研究

4．4 本章小结

第5章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间本人公开发表的论文及申请的专利

硕士期间参加的学术会议及交流经历

硕士期间获得的奖励