铜纳米结构的可控合成及其光学性质研究

【摘要】：铜(Cu)纳米结构因其具有优异的导电、导热和延展性,且Cu价格低廉、储量丰富,在柔性透明电极、太阳能电池、催化剂等领域具有重要的应用潜能。本论文围绕Cu纳米线、Cu纳米立方体和Cu纳米四面体的制备及其光学特性开展实验和理论研究,并借助FDTD数值计算分析Cu纳米立方体的Cu纳米四面体的光吸和散射光谱,研究结果为基于Cu纳米结构的相关理论与应用研究奠定基础。本论文的具体研究内容和研究成果如下:1.基于液相还原法制备了直径均匀的五重孪晶Cu纳米线。研究溶剂热反应温度、还原剂浓度和表面包覆剂种类对Cu纳米线生长的影响。对比研究了十六胺(HDA)、十八胺(ODA)与Cu2+之间的络合物的紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱,进而揭示出Cu纳米线的生长机制。结果表明:烷基胺与Cu2+首先形成了铜胺络合物,该络合物在高温高压条件下被还原为Cu原子;提高溶剂热反应温度或增加还原剂浓度都能够加快还原反应速率,使纳米晶体迅速成核,继而生长成为五边形双锥体结构或铅笔状纳米晶体;改变烷基胺种类,将HDA分别更换为ODA和油胺(OLA)也可以制备出Cu纳米线,但纳米线的直径较大。2.基于烷基胺的水热合成法成功制备出尺寸在一定范围内可调的Cu纳米立方体和四面体结构。通过提高络合反应温度、调整配体(单一配体或双配体)的种类及比例,获得不同形貌及结构的Cu纳米晶体,并结合动力学和热力学理论,解释了Cu纳米四面体和立方体的生长机制。实验结果表明:通过改变络合反应温度而调整铜胺络合物的浓度,可有效控制纳米晶体的形貌;降低两种配体(HDA和ODA)的比值,制备的纳米多面体的尺寸在100~600 nm范围不断增加。本工作的意义在于首次提出了Cu纳米四面体的制备方法,为以后的Cu基纳米结构的理论及实验研究奠定基础。3.利用时域有限差分(FDTD)方法模拟单个Cu纳米立方体和四面体的吸收及散射光谱,并对Cu纳米多面体在水溶液和固体粉末状态下的吸收和散射光谱加以讨论。实验测得的UV-Vis光谱是不同尺寸Cu纳米立方体和四面体的吸收光谱按照一定比率的叠加的平均效果。其中,600 nm附近的共振吸收主要来自于Cu纳米立方体,而750~950 nm宽带吸收主要是Cu纳米四面体的共振吸收。