基于納米結(jié)構(gòu)的化學(xué)物質(zhì)檢測材料的研究.pdf

1、隨著社會工業(yè)化快速的發(fā)展，給人類帶來豐富的物質(zhì)財富的同時，對環(huán)境及人們的生活也帶來了很嚴(yán)重的污染與破壞。例如工業(yè)廢水及廢氣的排放、汽車尾氣的排放等不僅大大的破壞環(huán)境而且對人們的人身安全也造成了嚴(yán)重的危害。因此對化學(xué)有害物質(zhì)的檢測與控制就顯得非常重要。納米材料因其具有獨特的物理化學(xué)特性，因此其作為化學(xué)傳感材料比一般材料有更好的靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性等優(yōu)點。所以納米材料化學(xué)傳感器在有害物質(zhì)的檢測等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用及發(fā)展前景。
　

2、　在工業(yè)與日常生活中，氣態(tài)與液態(tài)的化學(xué)污染物是比較常見的兩種污染物類型。針對氣態(tài)化學(xué)物質(zhì)的檢測主要依賴氣體傳感器，針對液態(tài)化學(xué)物質(zhì)的檢測目前比較成熟的是基于表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)的光化學(xué)傳感器。因此利用納米合成技術(shù)改進(jìn)氣敏傳感器的性能是氣體傳感器的發(fā)展方向。同時使用納米技術(shù)控制合成優(yōu)良的SERS活性基底來增加材料對液體化學(xué)物質(zhì)檢測的敏感性能也是非常重要的。本論文一方面采用模板法及水熱法分別結(jié)合物理氣相沉積等方法合成了一系列納米結(jié)構(gòu)

3、及表面修飾的半導(dǎo)體金屬氧化物氣敏材料；另一方面，我們采用X射線干涉光刻（XIL）以及深紫外光刻等合成方法制備了大面積有序的貴金屬納米材料，這些材料具有很好的SERS效果。具體工作主要包括以下幾點：
　　(1)利用聚苯乙烯微球（PS）作為模板，結(jié)合磁控濺射物理沉積方法制備了一系列的多層半導(dǎo)體金屬氧化物多孔薄膜納米材料。制備出的多層金屬氧化物多孔薄膜材料的層與層之間可以形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，從而在很大程度上提高了材料的氣敏性能。我們利用該方

4、法得到了p-n異質(zhì)結(jié)的多層In2O3/CuO多孔薄膜，并研究了該材料對甲醇、乙醇、H2S、NH3和丙酮等氣體的靈敏度情況。該氣敏材料在工作溫度為250℃時，能實現(xiàn)對低濃度乙醇?xì)怏w的有效檢測。相對其它被測氣體，其對乙醇的檢測具有比較好的選擇性能。并且還研究了氣敏性能與材料的層數(shù)的關(guān)系。
　　(2)利用水熱法結(jié)合磁控濺射物理蒸發(fā)法合成出了表面修飾的六邊形 Co3O4納米薄片。我們用這種方法合成了Cr修飾以及 ZnO納米顆粒修飾的六邊形

5、 Co3O4納米薄片。由于Cr具有比較好的催化性能，因此Cr對Co3O4納米薄片的表面修飾使得其對乙醇的響應(yīng)具有非常短的反應(yīng)(1秒)及恢復(fù)時間(7秒)。而且在乙醇濃度非常低的時候，材料的氣敏性能依然很好。對于ZnO納米顆粒修飾的Co3O4納米薄片，由于主體材料Co3O4與ZnO材料之間形成p-n異質(zhì)結(jié)使得材料的氣敏性能也得到了很大的提高，并且也具有超快的反應(yīng)與恢復(fù)時間。
　　(3)利用X射線干涉光刻結(jié)合電子束物理沉積的方法合成出了

6、具有大面積、高度有序的Au納米圓盤陣列。這種有序的納米結(jié)構(gòu)對羅丹明6G染料的檢測具有很好的靈敏性、信號重復(fù)性、制備重現(xiàn)性及穩(wěn)定性。材料對羅丹明6G檢測極限可以達(dá)到10-8 M，而且具有很高的增強(qiáng)因子(106)。這種材料的SERS效應(yīng)與圓盤的直徑和間距有很大的關(guān)系。本文可以通過控制 XIL過程中的曝光時間或顯影時間來控制圓盤的直徑和間距來得到具有較好SERS效果的納米陣列。我們還可以用這種方法合成 Au/Ag雙層納米圓盤陣列，這種雙層納米

7、圓盤與 Au納米圓盤陣列相比具有更好的SERS效果。
　　(4)利用普通的無模板紫外光刻技術(shù)、反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)以及電子束物理氣相沉積方法合成出大面積、高度有序的Ag或Au/Ag納米顆粒修飾的錐狀Si納米陣列。這種陣列化的納米結(jié)構(gòu)對羅丹明6G染料具有超靈敏的SERS增強(qiáng)效果。材料對羅丹明6G的檢測極限可以達(dá)到10-15 M，而且具有非常高的SERS增強(qiáng)因子(1012)。這種高度有序的納米陣列材料對蘇丹紅 I染料也有很好的SERS效應(yīng)