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基于蝶翅结构的纳米复合材料制备及表面增强拉曼散射效应研究

作　者: 刘铂洋
导　师: 张荻；张旺
学　校: 上海交通大学
专　业: 材料学
关键词: 表面增强拉曼散射蝶翅纳米复合材料三维结构
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

材料作为人类发展的一个物质基础,对社会进步起到了非常巨大的作用。随着人类现代化的进程,高科技领域对材料性能的要求提出了更大的需求,例如航空航天领域等。同时,为了保证材料的应用性,对材料的制备成本也有一定的要求,即在保证性能的前提下,尽可能降低制备成本。从过去的研究中表明,材料的性能除了受其化学成分的影响外,结构也是另一起决定性影响的因素。而研究并制备具有一定结构的具有优良的性能的材料一直是材料科学家的目标。在设计材料的结构过程中,大自然给我们提供了大量的优秀范例和深深的启迪。经过大自然千百万年的选择和进化,自然界的生物往往具备了周期性,分级构造等精细结构,而这些结构也赋予了生物以适应大自然环境的能力以及一些特殊的功能性。我们应该学习大自然,并利用大自然中这些自然生物结构的优点,将其应用在我们制备材料的过程中,从而得到性能优良的材料,并降低制备的成本。而采用这种生物仿生的方法所制备材料的过程中,我们也可以分析结构对性能的影响,从而受到启发,设计并制备出更多新型的结构应用在新材料制备领域。表面增强拉曼散射在过去的四十年中,作为一种被有效的分析和探测工具,被广泛应用在化学,生命科学,材料科学等研究领域。随着表面增强拉曼散射的发展,其基底由最初的三维结构的贵金属或过渡金属,发展到半导体材料以及纳米复合材料。由于大量的研究表明,贵金属纳米颗粒与金属氧化物半导体纳米颗粒对拉曼信号的增强具有协同效应,越来越多的研究人员利用纳米复合材料制备新型的表面增强拉曼散射基底。然而,传统的基底制备工艺,对仪器的要求较高,例如光刻技术要求使用较贵重的仪器,这样就增加了制备的成本。为了使表面增强拉曼散射成为一种更有效的分析探测技术,其基底往往有如下要求:较高的探测灵敏度,较长时间的稳定性,测试光谱时均一的重复性,以及制备成本相对低廉。蝴蝶蝶翅鳞片具有三维结构,而不同的蝶翅鳞片其构造往往不同。这些三维结构与蝶翅的光学效应往往直接相关。受自然结构的启迪,我们利用不同种类的蝴蝶前翅作为原始模板,复制了具有蝶翅鳞片三维结构的氧化物遗态材料（Biomorphic MeOx）,并通过化学合成的方法在这种氧化物中引入贵金属纳米颗粒,从而得到具有三维结构的纳米复合材料,作为一种新型的表面增强拉面散射的基底。主要的研究内容和结果如下:1.选择两种不同的蝴蝶:巴黎翠凤蝶和异型紫斑蝶的前翅作为原始模板,其中巴黎翠凤蝶前翅具有准周期性的准蜂窝状结构,异型紫斑蝶前翅鳞片具有周期性类光子晶体结构。本工作中制备金属氧化物遗态材料的方法主要是通过配置合适的前驱体溶液,蝶翅浸泡以及控制烧结工艺,从而得到保留原始蝶翅结构的遗态材料。通过XRD,FESEM等表征方法,我们对这些遗态材料的晶型,形貌,微观结构等信息进行了表征,得到了成功保留了原始蝶翅形貌的遗态氧化物材料。2.利用氯金酸作为前驱体,对经过浸泡预处理后的氧化物遗态材料进行烧结处理,从而是金纳米颗粒在氧化物的表面生成,得到了Au-Biomorphic MeOx。通过XRD,FESEM,TEM,XPS等检测手段,表征了材料的晶型,形貌结构,纳米颗粒分布以及元素价态等信息。选择了具有巴黎翠凤蝶结构的Au-Biomorphic SnO₂作为代表材料,测试了其表面增强拉曼光谱。通过表面增强拉曼光谱的分析,我们了解了这种材料的作为拉曼基底使用的优缺点,并希望制备另一种性能更优秀的基底。3.针对表面增强拉曼光谱可重复性的问题,选用了异型紫斑蝶结构的Au-Biomorphic SnO₂,测试拉曼光谱,发现这种材料其拉曼增强灵敏性更高,且具有更好的光谱重复性。经过分析,是由于基底结构对其拉曼增强性能的影响。利用这种结构作为模板,同时制备了Ag- Biomorphic SnO₂复合材料,并测试其拉曼光谱,分析了该纳米复合材料的缺点。分析了我们所制备的材料的拉曼增强机理,根据结构的影响,我们在以后的工作中可以借鉴并设计更新,性能更好的拉曼基底。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-14
第一章绪论  14-36
  1.1 前言  14
  1.2 遗态材料的研究进展  14-21
    1.2.1 具有不同尺度的生物精细结构  14-16
    1.2.2 蝶翅的基本微观结构  16-17
    1.2.3 原始蝴蝶蝶翅研究进展  17-18
    1.2.4 蝶翅遗态材料制备以及研究进展  18-21
  1.3 自然界的光功能结构及其仿生研究  21-30
    1.3.1 拉曼散射光谱简介  21-22
    1.3.2 表面增强拉曼光谱及其机理简介  22-25
    1.3.3 表面增强拉曼光谱应用简介及其基底的制备发展  25-30
  1.4 选题意义和研究内容  30-32
  参考文献  32-36
第二章蝶翅结构遗态氧化物材料制备及表征  36-56
  2.1 前言  36-37
  2.2 原始蝶翅模板选择  37-39
  2.3 SnO_2蝶翅遗态材料的制备、表征  39-45
    2.3.1 溶胶凝胶法制备纳米SnO_2 简介  39-41
    2.3.2 SnO_2 纳米颗粒及SnO_2 蝶翅遗态材料的制备、表  41-45
  2.4 TiO_2蝶翅遗态材料的制备、表征  45-50
    2.4.1 纳米TiO_2 材料简介  45-46
    2.4.2 TiO_2 巴黎翠凤蝶蝶翅遗态材料制备  46-50
  2.5 ZRO_2蝶翅遗态材料的制备、表征  50-53
    2.5.1 ZrO_2 巴黎翠凤蝶蝶翅遗态材料制备  50-51
    2.5.2 ZrO_2 蝶翅遗态材料制备  51-53
  2.6 本章小结  53-54
  参考文献  54-56
第三章巴黎翠凤蝶蝶翅纳米复合材料制备及SERS 光谱研究  56-78
  3.1 前言  56-58
  3.2 AU-SnO_2, AU-TiO_2, AU-ZRO_2纳米复合材料的制备及表征  58-72
    3.2.1 Au-Biomorphic SnO_2(P)纳米复合材料表征  59-63
     3.2.2 Au-Biomorphic TiO_2(P)纳米复合材料表征  63-68
    3.2.3 Au-Biomorphic ZrO_2(P)纳米复合材料表征  68-72
  3.3 AU-BIOMORPHIC SnO_2(P)纳米复合材料SERS 研究  72-75
  3.4 本章小结  75-76
  参考文献  76-78
第四章异型紫斑蝶蝶翅纳米复合材料制备及SERS 光谱研究  78-98
  4.1 前言  78-80
  4.2 AU-BIOMORPHIC SnO_2(E)的制备表征及SERS 性能研究  80-88
    4.2.1 Au-Biomorphic SnO_2(E)的制备及表征  80-85
    4.2.2 Au-Biomorphic SnO_2(E)的SERS 性能测试  85-88
  4.3.A G-BIOMORPHIC SnO_2(E)的制备,表征及SERS 性能研究  88-95
    4.3.1 Ag-Biomorphic SnO_2(E)的制备  89
    4.3.2 Ag-Biomorphic SnO_2(E)的表征  89-93
    4.3.3 Ag-Biomorphic SnO_2(E)的SERS 性能研究  93-94
    4.3.4 纳米复合材料SERS 机理分析  94-95
  4.4 本章小结  95-96
  参考文献  96-98
第五章结论  98-100
  5.1 主要结论  98-99
  5.2 工作展望  99-100
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文及专利  100-101
致谢  101

基于蝶翅结构的纳米复合材料制备及表面增强拉曼散射效应研究

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