胶体刻蚀——纳米结构化表面的构筑与应用

综述了近年来胶体刻蚀领域的研究进展, 分别讨论了基于胶体微粒和胶体晶体为模板的可控沉积与可控刻蚀及在固体平面基质、曲面基质和气液界面等不同基质上构筑结构化表面的方法. 同时还探讨了利用胶体刻蚀方法形成的微纳结构在光、电、磁以及表面润湿和生物学等方面的应用.     

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.     

气液界面胶体球刻蚀法制备二维有序多孔薄膜

作为一类重要的二维材料, 二维有序多孔薄膜受到人们的广泛关注. 气液界面胶体球刻蚀法是近些年发展起来的一种以漂浮在液面上的单层胶体晶体为模板来制备二维有序纳米结构的方法, 具有简单、高效、重现性好、适用范围广以及结构参数易调变等优点. 近年来, 我们课题组利用气液界面胶体球刻蚀法实现了包括多种无机物纳米网、纳米碗阵列和纳米网-纳米碗复合阵列在内的一系列自支撑二维有序多孔薄膜的可控制备, 考察了其二维光子晶体性质, 并研究了其在刻蚀掩膜、溶剂检测、生物传感、电阻开关器件、光电化学分解水等方面的应用. 本文在重点介绍我们课题组研究进展的同时, 也简要总结了该领域的整体发展状况并展望了该领域的今后发展方向.     

有序Au/Ag纳米碗阵列的简易制备及其表面增强拉曼散射性能

通过湿法化学合成基于SiO₂胶体晶体的大面积有序Au/Ag纳米碗(Au/AgNB)阵列。首先,在玻璃基板上以3D SiO₂胶体晶体作为模板。然后,在Au纳米颗粒(AuNP)种子的帮助下,通过原位生长方法在模板上沉积一层Au纳米壳(AuNS)。再通过HCHO还原Ag⁺使AuNS表面进一步沉积Ag纳米壳,形成Ag/Au双纳米壳(Ag/AuNS)阵列。通过丙烯酸酯改性双向取向聚丙烯(BOPP)方便地获得了单层有序反转Ag/AuNB阵列。这种有序Au/AgNB阵列具有更佳的表面增强拉曼散射(SERS)活性,其SERS分析增强因子(AEF)可达2.23×10⁷。     

有序Au/Ag纳米碗阵列的简易制备及其表面增强拉曼散射性能

通过湿法化学合成基于SiO₂胶体晶体的大面积有序Au/Ag纳米碗(Au/AgNB)阵列。首先,在玻璃基板上组装3D SiO₂胶体晶体作为模板。然后,以Au纳米颗粒(AuNP)为种子,通过原位生长法在SiO₂模板上沉积一层Au纳米壳(AuNS)。再通过HCHO还原Ag⁺成Ag⁰,进一步在AuNS表面沉积Ag纳米壳,形成Ag/Au双纳米壳(Ag/AuNS)阵列。最后通过丙烯酸酯改性双向取向聚丙烯(BOPP)膜方便地获得了单层有序反转Ag/AuNB阵列。这种有序Au/AgNB阵列具有更佳的表面增强拉曼散射(SERS)活性,其SERS分析增强因子(AEF)可达2.23×10⁷。     

基于金纳米棒的DNA超灵敏检测研究

采用氯金酸和硼氢化钠为原料合成金纳米粒子,在含有CTAB的生长溶液中加入一定量的种子溶液成长形成金纳米棒。在金纳米棒表面分别组装两种不同的巯基寡核苷酸探针,并通过靶探针进行"三明治"杂交。采用透射电子显微镜、紫外-可见-近红外光谱对杂交体系进行了表征。结果表明,所制备的金纳米棒分布均匀、分散性好,对寡核苷酸的检测限可达1pmol/L,能明显区分正错配。该方法简单易行,可应用于DNA、蛋白质等生物分子的识别。     

碗形胶体颗粒/阵列薄膜的制备及性能研究进展

随着科学技术和应用需求的快速发展, 对胶体颗粒形貌、尺寸和组分提出了越来越高的要求, 简单组成的球形颗粒已经难以满足需求. 微/纳米碗形胶体颗粒/阵列薄膜由于具有比表面积大、结构对称性下降等特点, 在纳米反应器、药物运载、高灵敏度传感器、数据储存、自组装等方面有着广阔的应用前景, 其研究、开发和应用已经成为微／纳米材料研究领域的热点. 概述了近十年来国内外碗形胶体颗粒/碗形阵列薄膜的研究进展, 按照无机和金属、聚合物两大类分别对碗形材料的各种制备方法进行了详细介绍, 目前主要有单层胶体晶体模板法、碗形阵列薄膜模板法、诱导生长法、异形颗粒法、中空微球内陷法、种子聚合法、溶剂处理法等; 按照材质种类, 分别对TiO₂, ZnO, Fe_xO_y, 贵金属、聚合物等碗形颗粒/阵列薄膜的结构与性能研究进行了概述, 指出了其潜在的应用领域; 并进一步展望了该领域未来的发展趋势.     

带电悬浮粒子胶体晶体的固定化

采用光固化技术, 以丙烯酰胺单体与亚甲基双丙烯酰胺交联剂在紫外光的照射下发生光聚合反应, 嵌入聚苯乙烯胶体晶体, 实现了胶体晶体的固定化. 结合反射光谱和Kossel衍射技术研究对照了固定化前后胶体晶体的变化, 实验结果表明, 通过这种水凝胶固定化的胶体晶体保存了未固定前悬浮液中胶体晶体的结构. 但固定化后的胶体晶体的晶面间距和晶体的尺寸都略微减小. 通过对固定化后的水凝胶长时间的反射光谱观测, 发现固定化后胶体晶体在Milli-Q水中起初会发生溶胀, 经过2-5天溶胀-消溶胀过程达到平衡, 平衡后的水凝胶胶体晶体十分稳定, 可以长时间保持胶体晶体的结构. 因此, 胶体晶体固定化不但极大地提高了悬浮液中胶体晶体的抗剪切能力, 还克服了悬浮液中胶体晶体对离子、外界干扰的敏感性, 扩大了胶体晶体的实际应用价值.     

基于刻蚀反应的纳米结构空心化（英文）

中空纳米材料的可控合成使其在催化、能量转换与储存、生物医药等领域具有广阔的应用前景.本专论旨在揭示刻蚀反应对纳米结构空心过程的关键影响.讨论了通过增强纳米粒子表面在刻蚀液中的相对稳定性来精确操纵中空化过程的策略,主要关注3种刻蚀策略,包括硬模板法、氧化还原辅助中空法和表面钝化自模板法.最后,对基于刻蚀反应的纳米结构空心化可控合成未来的发展方向进行了展望.     

均一取向等离子体二聚体的制备及光学机理

以单层SiO₂胶体微球为模板, 利用Au/SiO₂/Au交替沉积结合后退火处理的方法, 制备了一种垂直堆叠且均一取向的等离子体二聚体结构. 该方法具有很大的自由度, 可以通过调节实验流程来制备大面积取向相同的同质或异质纳米粒子二聚体. 所制备的纳米粒子的等离子体杂化效应明显, 在消光光谱中可以观察到成键及反键共振峰. 由于所得纳米粒子二聚体具有垂直堆叠的特殊规整取向, 还可以观察到所得样品等离子体吸收峰的角度依赖特性. 此外, 还探讨了Au/SiO₂/Au同质二聚体和Au/SiO₂/Ag异质二聚体的光学特性差异, 发现与Au/SiO₂/Au同质二聚体相比, Au/SiO₂/Ag异质二聚体由于Ag偶极等离子体模式与Au带间吸收的耦合而呈现Fano共振峰. 所得结果提供了一个调节贵金属等离子体光学共振峰位、 强度和波形的策略, 在纳米光子学领域有着广阔的应用前景, 对今后的实验和理论研究具有重要参考价值.     

金属纳米结构的氧化刻蚀调控与催化性能优化

金属纳米结构的可控合成,对其性能优化和高效应用至为关键．氧化刻蚀作为金属纳米晶可控合成中的新兴有效调控手段之一,受到越来越多的关注．本文以本课题组近期的研究工作为例,说明了氧化刻蚀对金属纳米晶的形貌、尺寸、结构及组成等合成参数的有效调控作用．由此总结认为,在金属纳米晶可控合成的一般过程,尤其是成核和生长过程中,氧化刻蚀的本质是有效调控“两个速率”和“两个力学”,即减缓原子的生成速率与晶种的形成速率、选择性接受反应热力学和反应动力学的控制作用．我们将通过氧化刻蚀法调控合成得到的具有独特结构的Pd,Pt纳米晶,用于氧活化和电催化这两个重要的催化体系,获得了理想的催化结果,表明氧化刻蚀在金属纳米晶的功能改性和应用拓展方面,具有令人称奇的广阔应用前景．     

基于温敏水凝胶的可调胶体晶体制备

基于单分散胶体粒子悬浊液在温敏水凝胶表面可以形成湿润型胶体晶体的现象, 利用温敏水凝胶对水的控释作用制备了温度敏感的可调制胶体晶体. 在室温下利用提拉法在温敏水凝胶聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)表面制备湿润型胶体晶体膜. 由于胶体粒子的有序排列, 胶体晶体显示出一个尖锐的反射峰. 当温度上升到34 ℃以上时, 由于PNIPAAm水凝胶中的水被释放, 导致胶体晶体中粒子浓度降低, 粒子间距增加; 反射峰发生红移. 这些特性可以通过温度变化进行调制.     

无机手性纳米结构的可控构筑及其催化研究进展

具有强烈光学活性的无机手性结构因其具有独特的物理化学性质, 可将手性信号扩展至可见和近红外区域, 对于手性的检测与分析、手性合成、手性传感及相关光电领域的研究具有重要意义. 在过去的二十年里, 人们对无机手性结构进行了大量的研究, 从合成方法、手性起源理论到实际应用都取得了长足的进展. 重点聚焦具有手性催化应用潜力的无机手性纳米材料, 首先介绍了单个无机手性纳米粒子独特的手性效应、常用的构筑方法和手性起源机理, 并简要概述了无机纳米粒子作为构筑单元形成手性多级纳米结构的组装方法. 重点关注了无机手性纳米材料在手性催化领域的应用, 讨论了手性金属纳米结构、手性半导体纳米结构、手性陶瓷纳米结构及手性磁性纳米粒子用于手性催化的相关机理, 并对有代表性的最新进展进行了分析. 最后, 梳理了目前无机手性结构及其催化性能存在的不足和面临的挑战, 并对未来的研究方向进行了展望.     

基于金纳米粒子的等离子体共振吸收测定阿莫西林

在pH=1.89的Britton-Robinson（BR）缓冲溶液中,阿莫西林与氯金酸反应生成金纳米粒子,在537和720 nm产生了特征等离子体共振吸收信号,其537 nm处的吸收强度与阿莫西林浓度在一定范围内呈线性关系,据此建立了基于金纳米粒子的等离子体共振吸收测定阿莫西林的方法。 在优化条件下（pH=1.89,反应温度65 ℃,反应时间40 min）,测定阿莫西林的线性范围为2.0×10-6~3.6×10-5 mol/L,检出限为1.3×10-7 mol/L。 该方法用于合成样品中阿莫西林的测定,回收率在90.4%~103.2%之间,RSD小于4.6%,将所建立的方法用于2个厂家生产的阿莫西林胶囊中阿莫西林含量测定,并与HPLC法对比,结果满意。     

分子印迹纳米胶体阵列检测爆炸物的研究

以三硝基甲苯(TNT)为模板,丙烯酰胺为功能单体,采用乳液聚合法制备具有单分散性的TNT分子印迹胶体小球.通过垂直沉降法自组装,并用胶带将得到的具有蛋白石结构的分子印迹胶体阵列(MICA)固化.研究其在不同比例的甲醇/水溶液中的光学响应,并在最优检测环境下进行特异性吸附实验.实验表明,当甲醇/水的体积比为7∶3,TNT浓度为20 mmol/L时,反射峰红移近24 nm,为非印迹胶体阵列红移量的1.4倍,为TNT结构类似物的23倍.MICA在实现对光子晶体传感器制备简化的同时,提供了对TNT进行快速裸眼检测的可能性.     

胶体法制备Mn2+掺杂Ⅱ-Ⅵ族稀磁性半导体纳米晶体材料的研究进展

近年来兴起的稀磁性半导体纳米晶体(DMSNC)是一种新型的半导体材料,由于其优异的光电磁性能得到了国内外研究人员的重视,并取得了快速发展,有望在多个领域得到应用。本文对以胶体法制备的Mn2 掺杂的ZnS、ZnSe、CdS、CdSe等为代表的Ⅱ-Ⅵ族DMSNC的主要研究进展和掺杂原理进行了综述,指出了现阶段所存在的问题,并对其未来发展进行了展望。     

梯度结构胶体光子晶体的制备及光子禁带调节

以改进的对流自组装方法制备层数可控的胶体光子晶体, 并通过各向同性氧等离子体(O₂ Plasma)刻蚀构造出梯度结构, 进一步通过金(Au)及无定形硅(Si)的可控沉积调节梯度结构胶体光子晶体的光子禁带, 并将该梯度结构用于罗丹明B的荧光发射增强.     

金纳米棒的表面改性及与H_2O_2的作用

通过调控过氧化氢与金纳米棒相互作用时溶液的H~+和Br~-浓度,考察了过氧化氢刻蚀金纳米棒的条件.通过静电相互作用将聚苯乙烯磺酸钠修饰到带正电的金纳米棒表面,并探讨了表面配体变化对过氧化氢与金纳米棒相互作用的影响,比较了聚苯乙烯磺酸钠浓度改变对过氧化氢刻蚀金纳米棒所引起的等离子体吸收峰的变化.结果表明,过氧化氢与金纳米棒作用过程中,H~+浓度增加可以加快刻蚀反应速率,Br~-起到稳定金离子的作用.采用聚苯乙烯磺酸钠修饰抑制了过氧化氢对金纳米棒的刻蚀,当聚苯乙烯磺酸钠与金纳米棒表面的CTAB完全作用后,复合材料电位接近零,金纳米棒的稳定性降低,继续增加聚苯乙烯磺酸钠的量至电位为负,复合材料稳定性增加.     

基于生物素-亲和素相互作用的胶体晶体阵列的构筑与特性

将胶体晶体阵列(crystalline colloidal arrays,CCA)的Bragg衍射特性与水凝胶的刺激响应性功能结合起来,可制成一种有效的对特定分子具有识别和响应能力的传感材料.采用无皂乳液聚合制备的单分散聚(苯乙烯-4-苯乙烯磺酸钠)纳米颗粒,通过表面电荷的静电斥力可自组装形成CCA,经光聚合固定在水凝胶网络内形成聚合胶体晶阵(polymerized CCA).在水凝胶网络中用共价结合引入生物素分子,通过强的亲和相互作用可与蛋白质亲和素生成生物素-亲和素复合物,在水凝胶网络中形成交联点,引起水凝胶体积相变,进而导致CCA晶面间距发生改变,从而引发Bragg衍射波长发生相应的移动.