热处理对金纳米颗粒超薄膜结构和光电子发射影响的研究

发布时间：2020-09-27 16:16

　　金较高的功函数(4.5~5.2 eV)使得其费米能级远低于真空能级,所以纯金并不是良好的电子发射材料,然而研究表明烷烃键合金纳米颗粒(Au nanoparticle,Au NP)明显提高Au NP薄膜的光电子发射能力。热处理显著影响Au NP薄膜结构、形貌甚至Au NP尺寸,从而影响其光学性质和电学性能,但其对Au NP薄膜光电子发射的影响尚不明确。因此,有必要开展热处理对Au NP薄膜光电子发射影响的研究,进一步理解Au NP薄膜光电子产生和发射机制。本文主要研究内容和结果如下:1.两相法合成尺寸可调和尺寸分布均一的巯基十一酸包裹Au NP(1)采用一步两相法制备巯基十一酸(Mercaptoundecanoic acid,MUA)修饰剂包裹Au NP,研究了修饰剂与金原子的不同配比对Au NP尺寸的影响。结果表明各种尺寸Au NP尺寸分布均一(具有较小的尺寸偏差),呈单分散状态;大部分MUA与Au NP表面形成Au-S而连接;所得Au NP具有面心立方结构。这些高度纯化的Au NP具有活性表面功能团(COOH),在生物传感、自组装、光学和电子器件方面具有潜在应用价值。(2)采用两步两相法制备大尺寸MUA包裹Au NP(5 nm),并考察其稳定性。2.热处理增强Au NP超薄膜光电子发射的研究通过硅晶片上壳聚糖薄涂层静电吸附平均直径为1.4 nm MUA包裹的Au NP,制备了厚度约为10nm的超薄膜,原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,AFM)和扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)表明Au NP在薄膜中分布较为均匀且薄膜较平整。进一步采用紫外光电子能谱(Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy,UPS)研究了不同热处理温度对超薄膜的二次电子发射能力的影响,结果表明适度的热处理有助于超薄膜二次电子发射强度的提高,尤其是经150℃热处理的薄膜二次电子发射峰强是未处理样品的4倍,更高的热处理温度造成二次电子发射峰强度急剧下降。本文结果有助于推动有机配体包裹Au NP超薄膜在光电子发射材料方面的应用。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383
【部分图文】：

宽禁带,能级,真空能级,中价

第 1 章引言纳米颗粒（Au NP）具有独特的化学和物理性质，但纳米尺寸 Au面易于团聚，为了便于应用和研究 Au NP，常采用有机配体包裹体包裹 Au NP 可构建二维或三维纳米结构，其中 Au NP 薄膜已成, 2]。近年来，大量研究集中于 Au NP 薄膜的物理、化学性质和应[3, 4]和电化学传感[5, 6]、催化[7, 8]和光电子器件[9-11]等。强电子发射的现象通常只出现在宽禁带材料中，如金刚石晶体和类2]。这是因为宽禁带材料的导带位于真空能级上方（见图 1.1），因此电子亲核势（negativeelectronaffinity，NEA）的特性，使得电子发没有势垒。最近，研究表明由巯基烷烃键合 Au NP 形成的薄膜具子发射能力[13]。相对于金刚石材料，AuNP 制备简便和造价经济，料具有巨大的潜在应用价值。

示意图,界面计,配体,Au-S键

图 1.2 （a）对于 Au-S 未键合的 AuNP/配体界面计算的总 DOS; （b）用 Au-S 键合 AuNPs/配体界面计算的轨道特异性部分 DOS;（c）从 AuNPs 向烷烃配体传递 SE 和 NEA配体 SE 发射的示意图[13]Figure 1.2 (a) total DOS calculated for theAu NP/ligand interface withoutAu-S bonding; (b)orbital specific partial-DOS calculated for theAuNP/ ligand interface withAu-Sbonding; (c) pictorial illustration of the transmission of SE fromAuNP to alkane ligandand the emission of SE by the NEA ligand[13]1.2 热处理对 Au NP 薄膜形貌、光学和导电性能影响的研究现状1.2.1 热处理对 Au NP 薄膜形貌影响的研究大量研究讨论了热处理对 Au NP 薄膜形貌的影响，其中大部分工作都集中在微米尺度上论述 Au NP 的团聚[18-20]，但 Shimizu 等提出了一种从纳米尺度研究热处理对 AuNP 影响的简单方法，该方法是通过固态热处理烷基硫醇包裹 Au

尺寸分布,薄膜光学性质,金纳米颗粒,热诱导

a)热处理前和(b) 150, (c) 190, and (d) 230 °C 处理 DT-Au NP 以及(e) 250 °DT-Au 的 TEM 和尺寸分布图3 TEM images and size distributions of DT-Au nanoparticles (a) as-prepared aheat treatment at (b) 150, (c) 190, and (d) 230 °C and (e) ODT-Au nanoparttreated at 250 °C[21]处理对 Au NP 薄膜光学性质影响的研究研究热处理对 Au NP 薄膜光学性质影响，通常将 Au NP 在透。Zhang 等研究了金纳米颗粒单层在玻璃载片上的热诱导行为[

【参考文献】