金属镓纳米颗粒光学特性模拟和微纳颗粒合成研究

发布时间：2020-11-14 06:50

　　 金属镓熔点低(29.8℃),无毒,其微纳结构在光学分析与传感、相变光学存储、微流体、热传导以及医学神经连接等领域,有重要的应用前景,因此镓将是有巨大应用前景的新材料之一。镓的表面会形成很薄的致密氧化层,可以保护液态镓纳米颗粒。其中,金属镓原子具有3个价电子,可以实现由深紫外到红外的表面等离激元(surface plasmon,SP)光谱调控。以往对可见至红外光区SP的研究较多,对紫外光区SP的研究较少,但紫外SP在紫外日盲光电探测增强、紫外本征荧光增强、紫外共振拉曼增强等领域有独特优势。镓纳米颗粒的SP可以拓展至深紫外光区。本文理论模拟部分,采用离散偶极近似法(discrete dipole approximation,DDA),研究了颗粒大小、介质、氧化层和固液相变对镓纳米结构SP的影响。实验部分采用超声合成技术,在不同气液条件下合成镓微纳颗粒。研究内容与结果如下:1.首先计算模拟研究了颗粒半径、介质和氧化层对液态镓球形纳米颗粒表面等离激元SP的影响。结果表明,通过改变半径,消光峰可从深紫外到可见区可调,随颗粒半径增大而发生显著红移;半径增加时出现多级共振,对于液态镓球形纳米颗粒,在真空、乙醇和聚乙烯开始出现四极共振的最小尺寸分别50 nm、30 nm、30 nm和20 nm。多级共振的出现与环境介质折射率有关,折射率大的在小尺寸时就能出现高极共振。另外,表面氧化层的存在导致共振峰位的红移,且消光强度呈线性下降。该研究为深紫外至可见区多波段光谱调控提供重要参考。2.接着用DDA计算方法,调控镓纳米结构的形状、尺寸和表面氧化层厚度,比较研究了固液态镓纳米结构消光谱的区别。对于球形纳米结构,真空中消光谱固液态相变时几乎重合,聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)中消光谱固液态相变时有些差别,液态镓消光效率稍高,但固液差异不大。因此,球形镓纳米结构不适合用于固液相变光学存储。对于圆柱体纳米结构,在真空中还是PDMS中,长径比较大时,液态消光效率可以远高于固态消光效率,液态消光峰窄而尖锐。这意味着采用圆柱体纳米结构选择合适的长径比,可以有差异较大的固液态SP光谱,从而用于固液相变光学存储。本研究为镓固液相变光学存储提供重要参考。3.采用超声法合成镓微纳颗粒,探究四种不同气液条件对镓颗粒尺寸、形貌、悬浮特性和光学性质的影响。四种气液条件分别氮气中合成,空气中合成,双氧水中合成与中途加双氧水合成。结果表明,合成的颗粒的尺寸以微米量级为主,少数为纳米量级。其中,氮气中合成的样品小颗粒多些;氮气中与空气中合成的颗粒接近球状或椭球状;双氧水中合成颗粒形状极不规则且表面粗糙。超声合成的颗粒都有氧化层包裹保护着。四种条件下合成的镓微纳颗粒能够在溶剂中悬浮三天而不沉降。在双氧水中合成的样品在紫外-可见区有强光吸收。在空气中合成的样品的表面壳层荧光最强。本研究为面向液态金属微流体、热传导、打印墨水和光发射材料等领域应用,提供样品合成方面的参考,有重要实用价值。
【学位单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB383.1;TG146.43
【部分图文】：

图 1.1 固态金属镓Fig 1.1 Solid metal gallium镓可以很容易与大多数金属合金化，所以镓被广泛用作制备低，最常用的两种镓基合金是共晶镓铟 (EGaIn，75％Ga 和 25％％Ga，22％In 和 10％Sn)，熔点分别为 15.7℃和-19℃。镓铟合金是一种非牛顿流体，当受到剪切力时可以自由流动。这种特性是形成了薄的（约 1 nm）氧化镓表层而形成的，类似于金属铝上。如果合金受到外力作用，氧化物表层会呈现出褶皱外观，并且层下方流动。在没有这种氧化表层的情况下（例如，在无氧环境物酸的存在下），镓铟合金的行为与汞相似，由于其高表面能而通常，镓基液态金属不仅保留了传统金属的基本属性，如良好的优异的机械性能，而且还具有良好的流动性和低粘度等典型液20 ℃下几乎是水的两倍）。此外，镓基液态合金还具有形状转换于官能化可及性，磁性和自愈性能等特征。通常，这些组合特征

当空气中的氧含量高于百万分之一(p在真空条件下，镓氧化物层的厚度也约为 0.7 n过程的继续并将氧化层的厚度增加至约 3 nm。变成氧化镓一氢氧化物(GaOOH)的形式，其钝化。此外，这种氧化层在破裂时可立即重新形成[定住内部液态镓的同时降低其表面张力，并能促，氧化层也会导致一些不好的影响，如氧化镓层聚合物等材料的表面上，在一定程度上降低镓的金属难以实现准确量化。化物为氧化镓(Ga2O3)，其中 Ga2O3晶体会表现是最稳定的形态，而其他形态都是不稳定亚稳9 eV，是一种宽禁带半导体材料[8,9]。

图 1.3 (A) 液态 Ga 光栅侧面图。模板的周期为 400nm，线宽为 150nm，高度为 35nm；(B)液态金属光栅的平面照片[21]gure 1.3 (A) Side view of liquid Ga grating. The period of the template is 400 nm, the linewidis 150 nm and the height is 35 nm; (B) Planar photographs of liquid metgratings[21].3.3镓微纳米颗粒在微流体和热传导方面的应用微流体被称为跨学科领域的重点是精确控制亚毫米尺度。常见组件包括通、泵、电极、阀门、传感器、加热器和冷却器，液态金属纳米颗粒在微流体和传导方面有着广泛的应用。在最近的一项研究中，Ga66In20.5Sn13.5(熔点为 10.6 ℃在电渗透流中用作非接触电极，当聚二甲基硅氧烷微通道之间的间隙为 20 微，电压为 1.6 V 时，流体速度可以达到 5.93 um/s。使用低熔点液态金属作为微极实现了微流体泵的小型化。由于减少了热量的产生而形成的气泡，使得微流泵在小药物和生物大分子的液体输方面有着广阔的前景。Tang S Y[22]等人还建了一个微流体泵加上镓铟锡合金液滴（图 1.4 为实验装置示意图）。
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本文编号：2883209