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模板法不仅是一种有效的构筑纳米器件手段,而且还是常见的合成新型纳米材料方法之一,它是纳米技术中“自下而上”策略中重要的组成部分。本论文主要利用DNA生物分子、碳纳米管和气泡三种模板合成了具有微纳结构的新材料,系统研究了不同模板结构与构建单元之间的相互作用机理,并探索了这些材料在传感器件中的应用。本论文将主要开展如下几方面工作:
(1)采用DNA模板法合成了不同的纳米复合物,研究表明DNA链对DNA复合物导电性能起到至关重要的作用。首先,研究了金属离子与DNA生物分子之间的作用,考察了金属离子对DNA生物分子拉伸及导电性的影响,揭示了金属离子与DNA生物分子的磷酸骨架或碱基作用机制不同是影响DNA链导电性的主要因素之一。其次,采用DNA为模板分子合成了DNA-CdS复合物,采用该复合物构筑的光学敏感器件对254 nm紫外光与室内散射光具有响应快、灵敏度高和重复性好等特点。通过分析得出该器件响应机理如下,组装在DNA链上的CdS纳米颗粒在光照情况下产生大量载流子,载流子通过DNA传导；同时,DNA链上磷酸骨架在复合物中起到阴离子掺杂作用,使得DNA-CdS导电性大幅提高。最后,成功地合成了DNA-金纳米颗粒(DNA-GNPs)复合物,并利用这些复合构筑了生物传感器件,阐明了金纳米颗粒在该复合物中起两个作用:一方面,金纳米颗粒对待测生物分子有富集的作用；另一方而,金纳米颗粒具有电学信号放大的作用。
(2)首次以单壁碳纳米管(SWCNTs)为模板,采用水热法在SWCNTS表面组装了核桃状硫化镉微米颗粒(CdS MPs)形成CdS MPS/SWCNTs复合物,并对其性能进行了详细研究。通过一系列表征发现CdS MPs牢固地包围着单壁碳纳米管束,并且沿着单壁碳纳米管束生长。同时得出,在复合物形成过程中SWCNTs与CdS MPs之间主要存在非共价作用,其中π键起到了至关重要作用,绎过分析提出了吸附-成核-长大的生长模型。同时采用CdS MPs/SWCNTs复合物构筑了光电器件,当监光照射的时候,电导下降。通过细致分析得出在此过程中,激子-空穴复合作用是使电导下降的主要因素。最后,采用CdS MPs/SWCNTs复合物制作的氧传感器的灵敏度达到50 nA Vol％-1。所以,CdS MPs/SWCNTs复合物可能住光学或光电传感器与电化学气体传感器中得到应用。
(3)采用气泡动态模板法电化学沉积了多孔金属结构,发展了以多孔铜为基底制备银枝状晶体结构的方法。实验结果表明:沉积的铜结构明显有利于银枝状晶体的生长；在生长初期,铜结构表面有尺度为50-60nm的银嫩芽,随着反应时间的延长,银嫩芽生长成枝状银；同时,铜多孔结构的截面上银呈现梯度生长现象。从铜结构表面到底部,枝状银的尺度越来越小,从表面有大量的枝状银结构到下一级的嫩芽,然后到第三级表面没有或有零星银纳米颗粒。在此基础上建立了液体在多孔铜界面上的扩散机制模型。通过细致的分析,提出了在银枚状结构生长过程中,亚铜离子起到移动相作用的生长机理。最后考察了银枝状晶体的表面增强拉曼效应,发现这种结构对R6G和4-ATP的拉曼信号有明显的增强效果,通过分析得出该效应是尖端效应与间隙效应协同作用的结果。
总之,本论文主要研究了一些模板结构与构建单元之间相互作用规律,发展了模板法构筑纳米器件和合成新型纳米材料的新工艺。