阳极氧化铝模板的定量蚀刻及在金属纳米线阵列制备中的应用

摘要

一维纳米材料，包括纳米线、纳米管等，因具有许多独特的光学、电学、磁学、化学等方面的性能，而成为近年来纳米材料领域的研究热点之一。本学位论文紧跟国际前沿，在大量检索、整理、综合分析文献的基础上，以孔径为200 nm的阳极氧化铝(AnodicAluminum Oxide，AAO)膜为模板、采用电化学方法制备了具有不同长径比的金属纳米线；对阳极氧化铝模板的定量化蚀刻进行了研究，得到了阵列化的纳米线结构；对小孔径聚合物纳米管的制备进行了尝试。本论文的主要研究内容包括以下几个方面： 一、氧化铝模板的定量化蚀刻实现纳米结构的可控制备，是纳米材料应用的重要前提，将电沉积技术与氧化铝模板的定量蚀刻相结合可以很好的解决这一问题。采用多孔阳极氧化铝(AAO)作为模板，运用电化学沉积法在模板的微孔中组装金属Ni纳米线，然后用相对温和、具有良好可控性的磷铬酸蚀刻表层AAO模板，暴露出规整有序、具有可控长度的Ni纳米线阵列。使用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)对蚀刻的模板以及所制备的金属纳米线的亚微观形貌进行了表征。研究了蚀刻时间与AAO模板质量的减少及暴露出来的Ni纳米线阵列长度之间的关系。结果表明，磷铬酸是较NaOH溶液更为温和有效的AAO模板蚀刻剂，通过控制模板溶解时间，可以实现对裸露于AAO模板外纳米线长度的精细有效控制。该蚀刻方法普遍适用于以AAO为模板所制得的准一维纳米阵列结构。 二、金属纳米线用电化学模板法制备了金属Cu、Ag、Ru纳米线，并用SEM、TEM、选区电子衍射(SAED)等手段对其微观形貌、晶体结构进行了表征，结果表明电化学模板法在制备金属纳米线方面具有广泛、普遍适应的特点。 (1)采用恒电势沉积的方法，以溅射金导电基底的阳极氧化铝为模板成功制备了Cu、Ru纳米线。所制备的Cu、Ru纳米线粗细均匀，直径约为200 nm，与所用模板孔径一致。SAED表明所得Cu、Ru纳米线具有多晶结构。 (2)以AAO作为模板，利用直流电沉积法，在AAO模板孔洞中成功组装了Ag纳米线阵列。SEM、TEM分析表明，Ag纳米线的长度分布十分均匀，其长度随着沉积时间的延长而线性增长，生长速度约为5 μm/h。Ag纳米线粗细均匀，直径约为200 nm。SAED分析表明，所得Ag纳米线具有多晶结构。 (3)对金属纳米线的生长机理进行了初步探讨，对电解液在纳米阵列电极中的扩散形式、电极反应速率进行了研究。 三、聚合物纳米管选用自制的80 nm孔径的多孔阳极氧化铝作为模板，运用聚合物溶液抽滤法和自然浸润法，选用常规分子量的通用聚合物聚苯乙烯(PS)，尝试制备聚合物纳米管状结构，并用SEM对其微观结构进行了表征。结果表明：采用80 nm孔径的氧化铝模板，使用抽滤法和自然浸润法所制备出的均为聚合物纳米线状结构(采用自然浸润法可以得到大面积的纳米线阵列)，而得不到我们所希望的中空管状结构。由此推测，当聚合物溶液滴加量适量并且恒定时，存在着一个临界模板孔径值。

目录

文摘

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第一章文献综述

第二章阳极氧化铝模板的定量蚀刻

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1仪器和试剂

2.2.2 Ni纳米线的制备

2.2.3不同试剂蚀刻AAO模板

2.2.4定量蚀刻AAO模板

2.2.5测试样品的制备

2.3电沉积曲线及模板蚀刻曲线

2.3.1电沉积Ni纳米线的电流-时间曲线

2.3.2 AAO模板在氢氧化钠溶液中的溶解曲线

2.3.3 AAO模板在磷铬酸混合液中的蚀刻曲线

2.4纳米线阵列微观结构的表征与分析

2.4.1磷铬酸蚀刻氧化铝模板1 h

2.4.2磷铬酸蚀刻氧化铝模板1.5 h

2.4.3磷铬酸蚀刻氧化铝模板3 h

2.5本章小结

第三章金属纳米线的制备与表征

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1仪器和试剂

3.2.2金属纳米线制备方法

3.2.3测试样品的制备

3.3铜纳米线的制备与表征

3.3.1实验部分

3.3.2电沉积Cu纳米线的电流-时间曲线

3.3.3 Cu纳米线微观结构的表征及分析

3.4银纳米线的制备与表征

3.4.1实验部分

3.4.2 Ag纳米线微观结构的表征与分析

3.5钌纳米线的制备与表征

3.5.1实验部分

3.5.2电沉积Ru纳米线的电流-时间曲线

3.5.3 Ru纳米线微观结构的表征与分析

3.6金属纳米线在阳极氧化铝模板中的生长机理探讨

3.7本章小结

第四章小孔径聚合物纳米管、线结构的制备与表征

4.1引言

4.2实验部分

4.2.1仪器和试剂

4.2.2聚合物纳米管、线结构的制备

4.2.3聚合物纳米管、线结构的表征

4.3结果与讨论

4.3.1氧化铝模板的微观形貌

4.3.2聚合物纳米管、线结构的表征与分析

4.4本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间已发表的论文

致谢