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基于零维纳米体系的结构设计与构筑、性能调控及应用研究

曾杰  
【摘要】: 零维纳米结构作为低维纳米材料体系的重要组成部分,同时也是构筑低维纳米材料的基础,在纳米材料学的发展过程中处于举足轻重的位置。单一型零维纳米结构虽因三维受限而具有很多优越性能,但由于其材料、组分和结构单一,功能有限,限制了其在多学科交叉领域的广泛应用。因此,发展高级结构和性能的纳米材料体系,是我们研究的焦点。在论文中,我们基于零维纳米结构体系,设计并合成出多种高级纳米结构和优越性能的材料,同时总结和拓展了相应的合成方法,此外还开展了一些纳米结构在交叉学科应用的探索。 在第一章中,我们从低维纳米结构的物理效应出发,介绍了低维体系中最基本的零维纳米结构在纳米电子学和纳米生物学领域的用途,阐述了高级零维纳米结构的特征和实现途径,并讨论了零维纳米结构和其他高级维度纳米体系的关联和互动。 在第二章中,我们设计并合成出半导体—金属(CdSe-Au)异质结构纳米颗粒,同时调控了两组分的比例,研究了这一纳米颗粒的特异性谱学特征。基于以上实验,总结出一套较为普适性的制备异质结构纳米颗粒的方法——相分离及界面反应方法。我们进一步在多个材料体系下验证了该方法的可行性,制备出一系列的双元以及多元异质型纳米颗粒,包括PbSe-Au异质结构量子点、FePt-Au和Cu_2O-AuAg异质结构纳米颗粒等等,并探讨了异质复合型零维纳米材料体系在该方法中形成的机制和过程,为实现纳米颗粒的结构多元化和性能多样化提供了新的途径。 在第三章中,我们基于最简单的单一型纳米颗粒,通过物理外场诱导化学合成的方法构筑了一维高级纳米结构,包含两部分内容:(1)利用磁场诱导Co纳米颗粒形成Co纳米颗粒链状结构,通过电交换反应得到空心的贵金属Au、Pt或Pd的空心纳米颗粒链,并利用磁场的可调节性有效地调控贵金属空心纳米颗粒链状结构的链长,进而实现金属等离子共振吸收光谱的大范围调节;(2)利用光场诱导CdSe/Te纳米颗粒经过柯肯达尔效应、光生偶极组装及结构再构等一系列过程构造CdCl_2纳米管,进一步跟踪并讨论了这种从纳米颗粒到纳米管的变化过程及机制,为温和条件下制备无机纳米管提供了新途径。综合这两部分内容,这种物理外场诱导的化学合成方法,实现了对纳米结构在形态和维度上的同步控制。 在第四章中,我们选取CdSe和Au这两种最基本的纳米颗粒,开展性能调控和应用研究。对于CdSe颗粒,我们提出了一种精细调控其荧光光谱的方法,这种方法的调控精度达到1nm,并建立了相关模型来分析这种光谱调控方法的原理,为量子点的带宽工程提供了有效的辅助手段。对于Au颗粒,我们研究了其尺寸、表面修饰对癌细胞吞噬效应的影响,找到最佳的吞噬条件;同时还发展了一种基于金颗粒的放射治疗乳腺癌的新方法,并在细胞水平的实验中获得了理想的结果。


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