低维金属硫化物微纳结构设计与光热器件构筑

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低维纳米材料由于其新颖独特的物理化学性质以及在科研和生产多个领域内的潜在应用前景,已经成为当今纳米材料研究领域的前沿。多种低维半导体纳米结构,比如量子点、纳米线、纳米棒、纳米带及由其组成的纳米团簇和阵列结构等均被发现和研究。  金属硫化物纳米材料作为一类具有特殊的光学和电学效应的半导体材料,成为了研究最广泛的一系列纳米材料。硫化物纳米材料在、太阳能催化、光热转换、生物传感器以及非线性光学材料方面具有潜在得到重要应用价值。纳米材料所表现出的性能及其带来的应用价值基本上是由纳米材料的的物相、尺寸和颗粒形状等因素来决定,所以对纳米材料的可控性制备就显得至关重要。一直以来,为了制备符合各种预期功能的纳米材料,科研工作者对纳米材料的组成形态、结构大小、尺寸和排列形式等进行控制的研究从未停止。本论文采用了简单易行的实验室方法合成了三种类型的低维硫化物纳米材料。  第一种为超薄硫化铜纳米片及其组装的中空立方壳和所表现的性能。首先基于克根达尔效应直接合成由超薄纳米片组装而成的Cu7S4分阶中空立方壳。然后对产物进行了TEM、SEM、AFM、XRD、XPS、UV-Vis、CV等表征。我们还利用Cu7S4纳米笼独特的中空结构和显著的催化性能,我们成功的证明了该结构能有效地催化亚甲基蓝水合肼体系的时钟反应。在该工作中提出了一个经由简单温和的实验过程的合成由超薄纳米片组装的3D分阶结构并且成功证明了其优化纳米片催化剂催化时钟反应的优越性能。  第二种是硅基底金属硫化物纳米阵列。在接近室温条件下在硅衬底上通过表面修饰的手段诱导硫属化物纳米颗粒附着成核和生长。在接近室温的环境中单层的3-巯基丙基三乙氧基硅烷(3-MPTES)诱导水溶液中金属硫化物的在其表面成核和生长。而且纳米颗粒阵列的密度可以通过硅片基底上修饰的3-巯基丙基三乙氧基硅烷的表面密度来调节。更重要的是,本文中提出的表面修饰手段仅需要非常温和的实验条件同时有非常好的重复性。这种诱导成核和晶体生长方法已经被被拓展到其他硫属化合物纳米结构的制备如包括硫化铅(PbS)纳米立方体,硫化银(Ag2S)纳米颗粒,硫化镉(CdS)纳米球状结构和硫化铁(Fe8S7)纳米带等纳米结构单层。这些硅片基的半导体金属硫化物纳米结构单层的编织为硫化物半导体微在纳电极电子和纳米光晶设备方面的应用提供了基础。  第三种是硫铜化合物(Cu7S4)光热转换纳米材料,在之前硫化物合成的基础上制备特殊结构的硫化物纳米材料,并重点对其光热性能进行研究和表征。通过观察其光学性质发现在近红外甚至可见光波段有比较强的吸收和较高的摩尔消光系数,所以我们考虑通过抽滤或者打印等技术制备出无依附的光热转换器件材料.重要的是由于其吸收光谱范围很宽,所以相对之前报道较多的吸收范围很窄的贵金属,碳纳米管,石墨烯及以及一些有机光热材料,他们只能用在吸收特定波长的光进行激发进行光热转换。而本工作的硫化铜纳米材料有宽的吸收峰,所以对激发光的选择相当简单。同时由于材料价廉而且较小的尺寸和较低的生物毒性,我们还对其在生物热疗领域(肿瘤细胞消融方面)的应用也进行了探索。实验结果证明,这种硫化铜超薄纳米片材料在光热转换器件设设备以及生物体热疗方面有潜在的应用价值。
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