金纳米棒的光学性质研究进展

金纳米棒在紫外-可见-近红外(UV-Vis-NIR)波段具有独特的可调节表面等离子体共振(SPR)光学特性,其良好的稳定性、低生物毒性、亮丽的色彩和在催化、信息存储、生物医学等领域广阔的应用前景受到相关研究领域的广泛关注.结合已有的研究基础,本文主要综述了金纳米棒光学性质的研究进展,包括表面等离子体共振、局域场增强效应、共振耦合效应及荧光特性,并对金纳米棒的应用做了展望.     

基于金纳米棒的核壳纳米结构及其光学性质研究

以金纳米棒为核的核壳结构纳米粒子由于它独特的光学性质、结构特点以及在催化、表面增强拉曼散射方面的应用前景,成为目前纳米材料研究的热点之一。本文重点介绍以金纳米棒为核,包覆其他无机材料的核/壳结构之合成方法,同时阐述其结构特征、光学性质以及外界条件对结构和性质的影响。其中,由于金银纳米核壳结构的研究开始最早,研究最为深入,故对其进行重点阐述。最后对以金纳米棒为核的核壳结构未来研究进行了展望。     

金纳米棒的制备、生长机理及纯化

金纳米棒由于其独特物理性质而在众多的各向异性金纳米颗粒中赢得了关注。目前,金纳米棒在纳米电子学、光学、生物医药等研究领域均具有良好的应用前景。对金纳米棒合成的有效调控直接决定着其形状、尺寸和长径比,而这些又进一步影响着金纳米棒的物理性质。本文梳理了金纳米棒制备方法的发展脉络,以模板法、电化学方法、种子生长法以及近年来出现的无种子生长法为主线,系统综述了金纳米棒制备过程实验参数调控对产物结构、物理性质的影响,详细阐述了关于单晶以及孪晶金纳米棒的生长机理,并介绍了提高产物纯度的分离纯化手段。     

金纳米棒的生长及与FeCl_3的作用

采用三氯化铁选择性刻蚀法获得了预定长径比的金纳米棒.相比于晶种生长法,三氯化铁选择性刻蚀法可以更加简便快捷地调控金纳米棒形貌.以三氯化铁为刻蚀剂的刻蚀反应优先发生在金纳米棒尖端,这是因为金纳米棒尖端反应活性更高且表面活性剂钝化作用更弱.通过控制刻蚀反应时间及刻蚀剂浓度,可以精确调控金纳米棒的长径比.实验结果表明,增加刻蚀剂浓度、卤素离子浓度以及升高反应温度可以加快刻蚀反应速率.进一步讨论了金属离子的刻蚀作用机理.     

银纳米棒光学性质的离散偶极近似计算

The optical properties of metal nanoparticles are quite different from those of the bulk materials mainly due to the collective oscillations of their conduction electrons known as the surface plasmon resonance（SPR）,which is strongly dependent on the particle shape and size,and the dielectric properties of the local environment where the nanoparticles are embedded in. Based on the discrete dipole approximation（DDA）method,we studied the optical properties of silver nanorods with different aspect ratios in some special dielectric environment including air,water,acetone,methylene chloride and pyridine. The DDA simulation of the ultraviolet-visible（UV-Vis）extinction spectra of silver nanorods with varying aspect ratios shows the plasmons absorption splits into two bands corresponding to the oscillation of the free electrons along and perpendicular to the long axis of the rods. The transverse mode shows almost a fixed resonance at about 350 nm while the resonance of the longitudinal mode is red-shifted and strongly depends on the aspect ratio of the nanorods. An empirical formula was given to predict the peak position of the longitudinal palsmon band of the silver nanorods with different aspect ratios in the air. The calculation result also shows the maximum of the longitudinal plasmon band of a silver nanorod with a fixed aspect ratio depends on the medium dielectric constant in a linear way. The TEM image and corresponding UV-Vis extinction spectrum of silver nanosphere and nanorods synthesized by our lab are in good agreement with the DDA simulation results.     

煅烧温度对铽掺杂纳米二氧化钛及光学性能的影响

以钛酸丁酯为原料,通过溶胶-微波法对纳米TiO_2进行掺杂复合改性,提高纳米TiO_2的光催化性能。采用SEM、TEM、XRD、XPS等手段研究了煅烧温度对溶胶-凝胶法制备的纳米Tb/TiO_2复合颗粒的晶型、形貌及光催化性能的影响。结果表明:当煅烧温度为500℃时,纯纳米TiO_2降解率最优为50.2%,纳米Tb/TiO_2复合颗粒降解率最优为75.1%,此时稀土铽掺杂量为0.50%,晶粒尺寸为8.9nm左右,其光学性能明显提高。合适的煅烧温度和稀土掺杂量能有效的提高纳米TiO_2光催化性能。分析发现,稀土Tb的掺杂拓宽了TiO_2的光响应范围,延迟晶型转变,提高TiO_2的热稳定性,此外还能抑制TiO_2晶粒的生长;纳米Tb/TiO_2复合颗粒为纯锐钛矿相,随着煅烧温度的升高,纳米TiO_2团聚加剧,比表面积降低,锐钛矿相向金红石相转变,光催化活性降低。     

Al-Y共掺杂对ZnO纳米棒形成及光催化活性的影响

以Zn(NO3)2·6H2O,Al(NO3)3·9H2O,Y(NO3)3·6H2O和Na OH为原料,采用溶液法制备了Al-Y共掺杂Zn O光催化剂(Al-Y/Zn O),并用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)考察了Al,Y共掺杂对Zn O纳米棒形成及形貌的影响。结果表明,Al-Y共掺杂对Zn O晶粒大小基本没有影响,但会严重抑制Zn O纳米棒的生成,促使碱式硝酸锌(Zn5(OH)8(NO3)2·2H2O)的生成。以甲基橙(MO)为模型污染物考察了Al-Y共掺杂对Zn O纳米棒光催化活性的影响。结果发现,适量的Al-Y共掺杂会显著提高Zn O纳米棒的光催化活性。     

高比表面积Y-掺杂二氧化铈纳米颗粒和纳米棒的制备及电学性质

分别通过室温老化和高温沉降热处理成功的合成了大量均匀的Y-掺杂铈纳米颗粒和纳米棒,并对Y-掺杂铈粉末中Y的含量和形态对于固体溶液性质的影响进行了研究。结果表明,Y的掺杂大大提高了铈纳米颗粒和纳米棒的比表面积,其中30%的Y-掺杂纳米颗粒的比表面积最大,可达197 m2.g-1。此外,所制备的粉末可以很容易被烧结和硬化,而相应的电解质具有良好的电学性质,其中Y0.3Ce0.7O1.85纳米颗粒电解质在850℃时具有最大电导率(4.32 S.m-1)和最小表观活化能(0.81 eV)。     

微量钛掺杂的纳米二氧化锆相变过程中的光学性质

微量钛掺杂的纳米氧化锆由于纳米“小尺寸效应”的影响,在材料中产生了过量的氧空位缺陷,这些氧空位缺陷使得氧化锆在室温下呈现出高温的四方相。这种晶相的变化对氧化锆的光学性质产生了很大的影响。在氧化锆从四方相向单斜相的转变过程中,位于470 nm位置的Ti发光中心的宽带发光以及相同位置的余辉发光得到了增强。     

金纳米棒的合成及应用研究

金纳米棒具有独特的物理化学性质和良好的生物相容性,在众多的各向异性金纳米结构中引起了研究者的关注.本文综述了金纳米棒的各种制备方法,详尽评价了种子法制备金纳米棒过程的影响因素,介绍了金纳米棒用作药物载体和癌症的光热治疗方面的应用进展,并对金纳米棒的研究前景进行了展望.     

基于金纳米棒刻蚀比色法检测铁、铜离子

采用种子生长法制备金纳米棒(AuNRs)以构建光学传感器,用于Fe³⁺和Cu²⁺的高选择性快速可视化检测。在酸性环境中,Fe³⁺和Cu²⁺通过与KI溶液反应,将I-氧化成I2。I2刻蚀AuNRs,导致其纵向表面等离子体共振(LSPR)吸收峰蓝移,从而实现对Fe³⁺和Cu²⁺的检测。结果表明,反应温度为50℃时,添加0.8 mL 0.1 mol·L^-1 HCl、2 mL AuNRs生长液和20 mmol·L^-1 KI溶液,与2 mL 500 μmol·L^-1 Fe³⁺或30 μmol·L^-1 Cu²⁺反应25或90 min,可将AuNRs刻蚀至LSPR吸收峰消失。该方法对Fe³⁺和Cu²⁺检测具有高选择性和准确性,对于Fe³⁺、Cu²⁺共存体系的检测,可通过加入适量F-与Fe³⁺生成配合物[FeF₆]^3-完成对Fe³⁺的化学掩蔽,消除Fe³⁺的干扰,实现共存体系中Cu²⁺的准确检测。     

碘化亚铜微晶掺杂硅酸盐玻璃的制备及其光学性质

采用可分相的Na2O－Al2O3－B2O3－SiO2系为基础玻璃，以CuO／SnO、NaI为原料分别引入Cu＋、I－，成功地制备出CuI激晶掺杂硅酸盐玻璃．通过X射线粉末衍射（XRD）和高分辨透射电镜（HRTEM）分析观察到玻璃中的晶相和微晶的分布情况；由玻璃的室温透射光谱研究了玻璃的热处理条件与光吸收性的关系．实验发现，该玻璃对Nd：YAG激光器腔内自由振荡具有脉定压缩效应．     

基于金纳米棒刻蚀比色法检测铁、铜离子

采用种子生长法制备金纳米棒(AuNRs)以构建光学传感器,用于 Fe³⁺和 Cu²⁺的高选择性快速可视化检测。在酸性环境中,Fe³⁺和 Cu²⁺通过与 KI溶液反应,将 I^-氧化成 I₂。I₂刻蚀 AuNRs,导致其纵向表面等离子体共振(LSPR)吸收峰蓝移,从而实现对Fe³⁺和Cu²⁺的检测。结果表明,反应温度为50℃时,添加0.8 mL 0.1 mol·L^-1 HCl、2 mL AuNRs生长液和20 mmol·L^-1 KI溶液,与 2 mL 500 μmol·L^-1 Fe³⁺或 30 μmol·L^-1 Cu²⁺反应 25或 90 min,可将 AuNRs刻蚀至 LSPR 吸收峰消失。该方法对 Fe³⁺和 Cu²⁺检测具有高选择性和准确性,对于 Fe³⁺、Cu²⁺共存体系的检测,可通过加入适量 F-与 Fe³⁺生成配合物[FeF₆]3^-完成对 Fe³⁺的化学掩蔽,消除Fe³⁺的干扰,实现共存体系中Cu²⁺的准确检测。     

铜掺杂五氧化二钒的制备及电化学性质

采用沉淀法于300 和600 ℃制备了结晶状的Cu0.04V2O5材料. 扫描电镜显示, 300 ℃时制备的样品具有多孔特征, 而600 ℃时制备的样品具有很高的结晶度. X射线研究表明, 少量铜掺杂不会改变V2O5的正交晶体结构. 红外光谱研究表明, 300 ℃时制备的Cu0.04V2O5样品含有少量水. 热失重分析确定了样品中所含水分是以吸附水的形式存在, 1 mol材料分子吸附水的摩尔数约为0.18 mol. 铜掺杂显著改善了V2O5的结构稳定性, 进而提高了材料的充放电循环性能. 于600 ℃制备的样品在C/5.6倍率下具有160 mAh·g-1的可逆比容量, 但提高放电倍率明显降低了材料的循环性能. 于300 ℃制备的样品在C/5.6倍率时的循环性能不如600 ℃样品, 但该材料在C/1.9倍率时仍具有100 mAh·g-1左右的可逆比容量. 两种材料在电化学性能上的差异与材料的微结构有关. 低温样品在较高放电倍率时良好的循环性能得益于其多孔的微结构, 而高温样品由于其较高的结晶度而表现出优异的低倍率充放电性能.     

基础实验:金纳米粒子的制备及其光学性质

围绕金纳米粒子前沿内容,设计了一个简易的本科生基础实验,利用柠檬酸钠还原氯金酸法制备分散性好的金纳米粒子溶液,讨论了其尺寸与颜色的关系,探究了不同电解质和非电解质对金纳米粒子团聚及其颜色的影响,初步了解金纳米粒子的光学特性和探针效应基本原理。     

基于β环糊精功能化金纳米棒光学探针检测多酚化合物

以β环糊精(β-CD)功能化金纳米棒为光学探针,基于β-CD对芒果苷、白杨素及瑞香素多酚化合物的包合作用,建立了一种检测疏水性多酚化合物的新方法。多酚化合物在体积分数10%的甲醇水溶液(pH 6.0)介质中,与β-CD功能化金纳米棒作用10 min,β-CD的包合作用使其富集到金纳米棒表面,从而引起金纳米棒表面等离子共振吸收光谱发生变化;以质谱等技术证明了β-CD对多酚化合物具有包合作用。随着多酚化合物浓度的增加,金纳米棒探针在约为700 nm处的等离子共振吸收峰随之线性下降,对芒果苷、白杨素和瑞香素的检出限分别为9.0×10-9,5.0×10-8,4.0×10-8mol/L,建立了一种可在水溶液中富集与检测疏水性多酚化合物的新方法。     

形貌可控贵金属纳米颗粒的合成、光学性质及生长机制

近二十年来, 贵金属纳米颗粒由于其独特的性质, 已成为人们广泛研究的课题. 研究人员应用多种方法来合成纳米尺度的贵金属材料并且探讨了纳米材料的性质与尺寸和形状的关系. 本文简单回顾贵金属纳米颗粒的合成方法, 主要讨论纳米颗粒的形状对其光学性质的影响和颗粒的生长机制, 最后简述贵金属纳米材料的应用前景.     

Mn掺杂GaN的电子结构及光学性质

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波赝势法(PWP)计算Mn掺杂GaN(Ga1-xMnN)晶体的电子结构及光学性质,详细讨论掺杂后电子结构的变化.计算表明,Mn掺杂GaN使得Mn 3d与N 2p轨道杂化,产生自旋极化杂质带,Ga1-xMnxN表现为半金属性,非常适于自旋注入,说明该种材料是实现自旋电子器件的理想材料.另结合实验结果分析掺杂后体系的光学性质,发现吸收谱在1.3 eV处出现吸收峰,吸收系数随Mn2+浓度增加而增大.分析表明,该峰是源于Mn2+离子e态与t2态间的带内跃迁.     

Mn掺杂SnO_2一维纳米结构的制备、形貌及光学性质

用化学气相沉积(CVD)法制备了Mn掺杂的SnO2一维纳米结构(纳米线及纳米带),X射线衍射(XRD)显示样品为金红石型SnO2晶体,其生长机理可分别归结为气-液-固(VLS)和气-固(VS)机理,生长温度和气态原料浓度的差别是造成样品形貌及生长机理不同的主要原因.样品的拉曼谱出现了500、543、694和720cm-1四个新拉曼谱峰,分别是由活性的红外模和表面模引起的.纳米线及纳米带发光峰位于520nm处,发光强度随样品中氧空位的增减出现由强到弱的变化.     

金纳米棒自组装的研究进展

金纳米棒具有独特的光电性能,其自组装形成的功能组装体能够展现出更加优异的整体协同性能,在纳米材料科学和生物医学领域中有广泛而重要的应用前景.本文从诱导自组装各种驱动作用力的角度,综述了金纳米棒自组装的最新研究进展,具体内容包括:表面张力引发的自组装、化学作用驱动如静电作用或氢键作用等引发的自组装以及生物分子识别作用引发的自组装.