交流電沉積金納米材料及其性能研究.pdf

1、微區(qū)域內(nèi)的交流電沉積是近幾年興起的一項(xiàng)面向微納器件集成化的納米材料制備技術(shù)。源于尺度效應(yīng)，運(yùn)用該方法可以在施加較小電極電壓時(shí)，獲得很高的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而影響雙電層結(jié)構(gòu)與電化學(xué)反應(yīng)傳質(zhì)過(guò)程。運(yùn)用該法，研究者制備了多種材料，包括各向同性材料，各向異性材料以及合金材料的多種納米結(jié)構(gòu)。但是，仍然有許多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不能得到合理解釋。在此基礎(chǔ)上，本文做了以下幾個(gè)方面的工作:
　　(1)根據(jù)拉曼特性測(cè)試和循環(huán)伏安特性測(cè)試，得到金屬離子在鍍液中的存在形

2、態(tài)，分析了其在交流電反應(yīng)中的傳質(zhì)模型。建立了法拉第交流電滲數(shù)學(xué)模型，對(duì)微區(qū)域內(nèi)的液電耦合場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。在此基礎(chǔ)上，分析了交流電壓幅值、頻率以及直流偏置電壓影響電化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)傳遞和晶體生長(zhǎng)過(guò)程的作用機(jī)理。結(jié)果表明，電泳是微區(qū)內(nèi)交流電沉積反應(yīng)的主要傳質(zhì)方式。當(dāng)電極表面發(fā)生法拉第反應(yīng)時(shí)，電容交流電滲的流動(dòng)方向發(fā)生逆轉(zhuǎn)。此時(shí)，電極處于流線(xiàn)上游，微流體的運(yùn)動(dòng)使得電極處的電化學(xué)反應(yīng)傾向于擴(kuò)散控制。在交流電壓的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)直流偏置電壓時(shí)，電位相

3、對(duì)較負(fù)的電極一端，擴(kuò)散層增厚;電位相對(duì)較正的電極一端，擴(kuò)散層厚度減薄。擴(kuò)散層的增厚是誘導(dǎo)納米材料在微區(qū)域內(nèi)生長(zhǎng)的主要原因。
　　(2)在理論分析和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，調(diào)整交流電壓幅值、頻率、直流偏置電壓，電解液濃度等電化學(xué)條件，制備了不同形貌的金納米材料。通過(guò)對(duì)其微觀形貌的顯微分析和對(duì)比，進(jìn)行了電化學(xué)參數(shù)優(yōu)化。結(jié)果表明通過(guò)交流電沉積可以獲得具有完善結(jié)構(gòu)的金納米材料，其生長(zhǎng)位置、生長(zhǎng)方向、以及維度可控。本文還制備了金/銀雙金屬納米材料

4、。通過(guò)改變交流電頻率與鍍液成分配比，可以調(diào)節(jié)雙金屬納米材料的結(jié)構(gòu)形貌和組分。
　　(3)對(duì)使用交流電沉積法制備的金納米材料、金/銀雙金屬納米材料進(jìn)行表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)活性表征。金/銀雙金屬納米材料顯示了更高的拉曼增強(qiáng)系數(shù)。使用交流電沉積與介電泳力組裝相結(jié)合的方法一步制備了金/羅丹明B復(fù)合納米材料，有效提高了羅丹明B分子的檢測(cè)極限。
　　(4)對(duì)使用交流電沉積法制備的金納米材料進(jìn)行了電學(xué)表征。實(shí)驗(yàn)表明，金納米材料與電

5、極之間形成線(xiàn)性歐姆接觸，接觸特性良好。
　　本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于通過(guò)拉曼特性測(cè)試與電化學(xué)循環(huán)伏安特性測(cè)試，建立了絡(luò)合離子在交流電沉積過(guò)程中的存在形式與運(yùn)動(dòng)模型，解釋了微區(qū)域內(nèi)交流電沉積法生長(zhǎng)金納米結(jié)構(gòu)的電化學(xué)機(jī)理。基于微流體理論，構(gòu)建了微區(qū)域內(nèi)的交流電沉積液電耦合數(shù)學(xué)模型。進(jìn)一步，利用交流電沉積法成功制備了金/銀雙金屬SERS基底，并應(yīng)用于拉曼檢測(cè)技術(shù)。由于納米材料生長(zhǎng)在預(yù)制的微區(qū)域內(nèi)，并且與電極相連，方便與同其他微納器件集成，有望應(yīng)