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(huì)工業(yè)化快速的發(fā)展，給人類帶來豐富的物質(zhì)財(cái)富的同時(shí)，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(dú)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(diǎn)。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(shí)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(diǎn)：
　　(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(shí)，能實(shí)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(shí)間(7秒)。而且在乙醇濃度非常低的時(shí)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(shí)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(shí)間或顯影時(shí)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)