纳米阵列结构功能材料的制备、性质及应用

综述了用径迹蚀刻膜模板和多孔阳极氧化铝模板等制备纳米阵列结构功能材料的方法,介绍了金属、半导体纳米阵列结构功能材料、碳纳米管阵列结构功能材料及纳米阵列复合材料的性质和应用实例,并探讨了其应用前景。

纳米阵列结构光吸收性能研究进展

分别介绍了近年来国内外对硅纳米线阵列、碳纳米管阵列和金属纳米阵列这几种典型的纳米阵列结构的研究,从理论和实验研究的角度综述了其光吸收性能的研究进展并提出了今后可能的研究方向。

硅纳米结构阵列:光热CO_(2)催化的新兴平台

人口的快速增长和高能源需求产业造成了严重的环境问题。太阳能等替代性的清洁能源对于缓解能源危机和温室效应至关重要。光催化是一种很有前途的方法,但它在转化率、效率和规模化方面存在局限性。光热催化则结合了光化学和光热效应,是在温和条件下有效催化化学反应的新概念。近年来,与传统的光热催化剂相比,硅纳米结构阵列在光热CO_(2)还原反应中表现出独特的催化性能优势。作为一种平台,它表现出优异的光收集能力、高比表面积以及多样化的材料复合选择。本文综述了光热催化CO_(2)转化的概念和原理,硅纳米结构阵列的功能,以及利用硅纳米结构阵列在光热催化CO_(2)转化方面的最新进展,最终将为高性能纳米结构阵列光热CO_(2)催化剂的发展方向提供指导。

高度有序ZIF-8/Au纳米复合结构阵列的构筑及其表面增强拉曼光谱的应用

采用气-液界面自组装方式制备得到有序单层聚苯乙烯(PS)微球阵列,以此为模板,采用磁控溅射沉积方法结合热处理技术获得单层六方非密排Au纳米颗粒阵列。随后采用水热法成功制得高度有序ZIF-8/Au纳米复合结构有序阵列。探究了生长机理以及反应温度、反应时间对微观形貌和光学特性的影响,进一步探究了该复合结构阵列作为表面增强拉曼散射(SERS)活性基底的灵敏度和均一性。结果表明:当水热反应温度从25℃升高至100℃时,ZIF-8纳米颗粒的数量逐步增多,同时尺寸随之增大,表面等离激元共振(SPR)峰和衍射峰均发生了红移。当水热反应时间从10 min增至60 min时,ZIF-8纳米颗粒从围绕Au纳米颗粒选择性生长到蔓延至整个材料表面。在样品表面沉积特定厚度的Ag膜后,测得4-氨基苯硫酚(4-ATP)和罗丹明6G(R6G)两种探针分子的检测极限均为10-11mol·L^(-1),4-ATP和R6G的SERS强度与分子溶液浓度呈线性关系,相关系数R2分别为0.9801和0.9844。随机选取10个不同位置测试4-ATP的SERS谱图,得到相对标准偏差(RSD)为8.86%,表明ZIF-8/Au纳米复合结构有序阵列作为SERS基底具有良好的均匀性和稳定性。

表面等离激元纳米阵列结构传感器的集成化和小型化研究

表面等离激元由于其异常的光学特性在高灵敏度传感领域有着广泛的应用前景。然而,传统棱镜式表面等离激元传感器由于庞大的体积和昂贵的成本限制了其进一步发展。表面等离激元金属纳米阵列结构传感器的出现为实现低成本、小型化和集成化的表面等离激元传感器提供了一条有效的解决途径。文章首先总结了表面等离激元纳米阵列结构传感器的发展现状和应用优势,然后主要介绍了近期作者课题组在表面等离激元传感器小型化、集成化、低成本方面的一些工作。这些工作对推动表面等离激元传感理论的发展,实现金属纳米阵列传感技术器件化具有较为重要的现实意义。

铝阳极氧化膜纳米孔阵列结构的自组织过程分析

提出了在铝阳极氧化膜的生长过程中存在两种力的作用,一种是在阻挡层形成时就已经存在的由于基体铝与氧化铝之间晶格不匹配产生的内应力的作用,另一种是随着纳米孔的形成,存在于纳米孔内壁的表面张力的作用.铝阳极氧化膜纳米孔阵列的自组织过程是在这两种力的共同作用下进行的.这两种力的大小随着纳米孔形貌的变化而改变,当铝阳极氧化膜中的纳米孔呈规则的六角排列时,这两种力达到平衡,此时体系的能量也最低.

铝基材组织结构对氧化铝薄膜纳米孔阵列结构的影响

Alumina film with nano-pore array structure was prepared by anodic oxidation of aluminum matrix with different techniques treated in phosphoric acid solution.It was indicated that aluminum matrix with different composition had a great effect on the formation process and nano-pore array structure of alummina film.It was found out that the basic cause of such effect was the difference of the crystal defect density of aluminum matrix.

纳米线阵列结构温差电材料热电性能测试技术

介绍了一种新的一维纳米线阵列结构温差电材料热电性能测试技术。该技术创造性地采用了液流加热以及异地测温的新方法,成功地解决了对微米厚度的一维纳米线阵列结构热电材料试样两侧均匀加热并保持两侧的温差恒定,以及微米厚度的试样两侧测温的难题。依据这一原理建立了一维纳米线阵列结构热电材料性能测试系统。实验表明,该系统性能稳定,精度高,可胜任一维纳米线阵列结构热电材料的性能测试。

用有效介质理论模拟Ag/AAO纳米有序阵列复合结构光学常数

运用Maxwell—Garnett有效介质理论，计算了Ag／阳极氧化铝（AAO）纳米有序阵列复合结构的光学常数（250～2000nm波段），探讨了Ag组分的体积分数对Ag／AAO光学常数的调制作用和Ag纳米粒子的长径比对其表面等离子共振吸收的影响．模拟结果表明，随着Ag组分体积分数的增加，在小于450nm波段，Ag／AAO复合结构的介电函数实部和折射率均逐渐减小，而介电函数虚部和消光系数逐渐增大；在大于450nm波段，Ag／AAO复合结构的介电函数实部、介电函数虚部及折射率均逐渐增大，消光系数则变化较小．模拟结果显示出Ag纳米粒子的长径比与复合结构表面等离子共振吸收峰位有较强的相关性．另外，理论模拟预期透射谱也与实验透射谱变化趋势一致．

铁电聚合物P(VDF-TrFE)纳米结构阵列的构筑及其在有机聚合物太阳能电池中的应用

采用两步阳极氧化法制备了孔径均匀的多孔阳极氧化铝(AAO)模板,利用纳米压印技术构筑了高度规整的聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物P(VDF-Tr FE)纳米结构阵列,并通过压电力显微镜(PFM)直观地观测P(VDFTr FE)纳米结构阵列的极化翻转行为,结果表明具有择优取向的P(VDF-Tr FE)纳米结构阵列具有较低的矫顽场.将这一结构应用到聚合物太阳能电池正极与半导体聚合物层间,并成功通过外部极化电场的变化实现了对太阳能电池效率的调控.通过对太阳能电池性能的测试发现,不同的极化方向对太阳能电池效率具有十分重要的影响,其中当铁电层呈现电负性时,器件的光电转化效率提高了25%.

玻璃基底上二维有序Au纳米结构阵列消光特性的理论研究

采用离散偶极子近似方法(discrete dipoleapproximation,简称DDA)从理论上对玻璃基底上不同粒径的Au纳米粒子结构阵列的消光光谱以及消光峰与纳米粒子粒径的关系进行了研究。计算结果显示玻璃基底上的Au纳米粒子结构阵列的消光谱中出现明显区别于Au单体纳米粒子的共振峰,玻璃基底上的Au纳米粒子结构阵列的消光性质与单体纳米粒子的粒径密切相关,随着纳米粒径的增大表面等离子体共振吸收峰出现明显红移,并且在粒径>40nm时出现多峰吸收现象。计算结果与实验结果基本一致。给出玻璃基底上的Au纳米粒子结构阵列的共振吸收峰随单体纳米粒子粒径变化的关系图。对Au纳米结构阵列的吸收机制进行系统的理论分析。

基于微纳结构及材料特性的光场调控模拟研究

利用时域有限差分算法(FDTD)对微纳结构靶的光场分布进行仿真模拟,探究微纳结构靶中的光传输机制,分析材料特性和结构参数对光传输特性和光场分布的影响。基于光场分布及演化的仿真模拟结果,对比半导体氧化铝、绝缘体二氧化硅和金属铜三种导电性不同的材料上纳米线和纳米孔阵列微纳结构靶的激光传输特性,分析光传输过程中的光场分布变化。研究结果表明,通过改变氧化铝和二氧化硅纳米孔(线)阵列结构靶中孔洞(纳米线)直径和间距等结构参数,可以实现对微纳结构靶中光传输特性和光场分布的调制,实现光场在介质材料和真空区域间的周期振荡分布,或是以一种稳定形态传输;激光在铜纳米孔阵列中传输时,透光性随孔洞半径的增加而增加。基于光场分布及演化的仿真模拟结果,对比不同材料、不同微纳结构靶的激光传输演化特性,给出物理图像及对应现象规律,根据光场调控需求,给出微纳结构靶设计。

微米-纳米分层阵列结构减反膜的制备

介绍一种基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料的微米-纳米分层阵列结构双重减反膜。微米阵列结构模板图案由常规的激光直写光刻机光刻而成。微米阵列结构被复制到PDMS薄膜上,对PDMS薄膜进行等离子体表面修饰处理后在微米阵列结构上形成纳米褶皱结构,从而低成本制备出微米-纳米分层阵列结构双重减反膜。测试结果显示,所制备的微米-纳米分层阵列结构的PDMS减反膜可以将高效率多晶硅太阳电池的相对效率提高4.6%以上,相对反射率减小30%以上,并使减反膜表面的水接触角提高30°以上。

三维结构磷酸铁锂纳米线阵列的制备及其电化学性能

采用阳极氧化铝模板(AAO),通过溶胶-凝胶法制备出磷酸铁锂(LiFePO_4)纳米线阵列。场发射扫描电镜(FESEM)和透射电镜(TEM)表征均说明制得的LiFePO_4阵列是分散均匀且相互平行的。X射线衍射(XRD)和能谱图(EDS)表征均说明LiFePO_4纳米线是纯相橄榄石型结构。电化学性能测试表明纳米线阵列具有较好的循环稳定性,1C电流密度下循环100次后容量几乎不衰减,容量保持率为99.1%,10C电流密度下循环350次后容量保持率为91.6%。纳米线阵列的倍率性能较同等条件下制备的纳米粉体有较大提升,0.1C、10C电流密度下容量可分别达156.4mAh/g、106.9mAh/g。

三维锥阵列型纳米多孔锡镍合金负极的制备及储锂性能研究

基于铜箔基底采用无模板定向电沉积法制备三维锥阵列型纳米多孔镍集流体,再通过脉冲电沉积法在其上负载锡镍合金,制得三维锥阵列型纳米多孔锡镍合金负极。采用SEM、XRD、EDS和恒流充放电测试系统研究合金负极的微观结构、物相组成、化学成分和电化学性能。结果表明,该合金负极的阵列单元为锥顶呈球形的纳米锥,锥体表面存在孔隙。在0.1mA/cm~2电流密度下,该合金负极首次充/放电比容量为0.28/0.36mA/cm~2,100周循环后,可逆比容量为0.21mA/cm~2,可逆容量保持率为75%。

MOF@Ag-TiN纳米管阵列复合SERS基底构筑及性能研究

通过阳极氧化结合氨气还原氮化法制备了氮化钛纳米管阵列结构,再利用电化学沉积技术结合原位生长法制备出MOF@Ag-TiN复合SERS基底。结果表明,所制备的MOF@Ag-TiN复合基底存在面心立方晶型TiN、银单质和钴基MOF三种物相,通过扫面电镜技术发现TiN纳米管阵列结构均匀完整,银纳米粒子均匀分布在阵列结构表面,同时基底表面包覆有形状规则的MOF纳米粒子。MOF@Ag-TiN复合基底具有较好的拉曼增强性能,对探针分子R6G的检测限为10^(-12)M,同时还具有良好的稳定性。

表面针状铜基微纳米阵列材料与锡基焊料固态焊接

提出一种基于针状铜基微纳米材料的低温固态焊接方法。采用化学镀法制备出一种表面针状铜基微纳米阵列结构,铜针阵列高度为1~3μm,根直径为1~2μm。将锡基焊料置于具有这种形貌的基板上,在加热温度190℃、压力800 g的条件下对接触区域进行焊接。较硬的铜针结构容易插进较软的锡基焊料中,形成机械互锁。针状结构具有巨大的表面积,有利于铜、锡原子的固态互扩散,形成一定厚度的金属间化合物,实现了铜基板与锡基焊料的固态焊接。用扫描电子显微镜、透射电子显微镜和焊接强度测试仪器分别分析了铜锡焊接界面的显微形貌、化学成分以及剪切强度,获得了最佳焊接参数。结果表明,这种低温固态焊接方法可以获得良好的焊接效果。

阳极氧化铝中高度有序纳米孔阵列结构

近年来在纳米尺度上尺寸一致的纳米孔阵列材料，作为基底或模板结构在纳米尺寸仪器上的应用，极大地激发了人们对该材料研究兴趣。该材料最显著的特点是孔道有着极高的长径比，这是传统的刻版技术很难达到的。阳极多孔氧化铝材料，作为典型的自组装纳米孔阵列材料，是把铝片放入合适的酸溶液中进行电化学阳极氧化制得的。由于通过该方法可以制得纳米尺度结构，引起了人们越来越多的关注。

银纳米有序阵列SERS活性基底的制备及在膀胱肿瘤细胞检测中的应用

以多孔阳极氧化铝(porous anodic alumina,PAA)膜为模板,采用真空电子束蒸镀技术,分别在PAA多孔层以及阻挡层表面形成了银纳米孔和银纳米帽有序阵列表面增强拉曼散射(surface-enhancedRaman scattering,SERS)活性基底,并以膀胱肿瘤细胞作为分子探针,测试和分析了这两种SERS活性基底的表面增强拉曼光谱的特性。结果表明,两种SERS活性基底对膀胱肿瘤细胞的拉曼散射信号均有很好的增强作用。银纳米帽有序阵列SERS活性基底不仅具有较高的SERS增强和荧光猝灭效应,而且不存在与PAA膜中草酸根杂质相关的干扰峰,可获得膀胱肿瘤细胞拉曼散射光谱的更多细节信息。

运用有效介质理论研究Au/AAO纳米复合结构的光学特性

运用Maxwell—Garnett（M—G）有效介质理论模拟了Au／阳极氧化铝（AAO）纳米有序阵列复合结构在200-2500nm波段内的光学常数，并研究了300-1000nm波段Au组分的体积分数及长径比对Au／AAO复合结构的光学常数n和k的影响．结果表明，Au组分的体积分数和长径比对Au／AAO复合结构的光学常数有较强的调制作用．同时发现，Au组分体积分数对Au／AAO复合结构吸收、反射特性有较大影响．