多功能复合纳米材料的合成及性能研究

发布时间：2017-11-26 04:32

  本文关键词：多功能复合纳米材料的合成及性能研究

  更多相关文章： 多功能 复合纳米材料 上转换发光 等离激元 铁磁性 光催化 生物应用

【摘要】：多功能复合纳米材料具有纳米材料的表面效应,量子尺寸、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等特点。除此之外,该复合结构还能将具有不同物理、化学性质的材料有机结合在一起,从而带来新的功能和效应,使得该类材料在光学、磁学、催化和生物学等方面具有广阔的应用前景。本论文中,我们以稀土上转换发光纳米材料,贵金属纳米颗粒和多铁性复杂氧化物纳米材料等为基础,设计并合成了几种多功能性的复合型纳米材料。主要的研究内容如下：1.我们设计并合成了Au/SiO2/Y2O3:Yb3+,Er3+(core/spacer/shell)结构的复合纳米颗粒。在980nm的激光的激发下,由于金纳米颗粒的局域表面等离激元作用使得上转换发光层(Y2O3:Yb3+,Er3+)的绿光发射得到增强。当金核大小为-30nm,二氧化硅厚度为-40nm时,绿光波段增强达到最大值,为9.59倍。金属增强／淬灭荧光主要归因于如下几个因素的竞争结果：场增强作用(LFE)导致激发速率增加,表面等离激元共振耦合作用(SPCE)导致辐射衰变速率增加和由上转换材料到金属表面的非辐射能量传递(NRET)导致的发光淬灭。3D-Comsol的数字模拟结果表明当二氧化硅层的厚度小于70和75nm时,激发速率和辐射衰减速率分别增加。当小于55nm时,非辐射能量传递作用导致上转换发光淬灭。该结果将帮助我们进一步理解和控制等离激元增强上转换发光的过程。2.我们设计并合成了Nd3+-Yb3+共同敏化的Gd2O3:Yb3+,1%Nd3+, Er3+/SiO2/Au多功能复合纳米颗粒,该结构中每个成分都起着重要作用,可达到磁共振／上转换发光双模式成像和磁靶向作用下的光热治疗作用。用Nd3+离子作为共同敏化剂,不但能促进Yb3+-Er3+离子之间的能量传递和上转换发光过程,而且可以使用具有生物相容性的808nm激光作为激发光,从而避免了通常采用的980nm激光所导致的过热问题。由于表面等离激元共振耦合作用,表面吸附的Au纳米颗粒使得上转换发光在绿光波段增强3.7倍。同时,顺磁性的Gd2O3:Yb3+,1%Nd3+, Er3+/SiO2/Au纳米颗粒的磁靶向作用被首次证明,此外,该材料在生物体外的磁共振/上转换发光的双模式成像(MRI/UCL)及光热治疗作用也被研究。3.我们采用均相共沉淀法,通过Si02层的包覆和Nd3+离子的掺杂,成功合成了单分散的、六方相Gd2O2CO3:Yb3+, Er3+/SiO2多功能复合纳米颗粒。光学透明的、具有生物相容性的Si02层和掺杂的Nd3+离子能有效抑制六方相的Gd2O2CO3在600℃的高温处理下分解为立方相的Gd203,这是因为Si02层限制了CO2气体的扩散,而且Nd3+离子的掺杂有利于提高Gd2O2CO3热分解的温度。相对于非层状GdVO4:20at%Yb3+,2at%Er3+,4at%Nd3+纳米颗粒,层状的六方相Gd2O2CO3:20at%Yb3+,2at%Er3+,4at%Nd3+/Si02纳米颗粒上转换发光更强,这是由于六方相Gd2O2CO3具有层状结构,沿着C轴方向,(Gd2O22+)n层被碳酸根(C032-)分隔开来。在该层状结构中,由于CO32-层的存在导致Gd3+-Gd3+之间的距离变长,稀土离子之间的非辐射能量传递被抑制,从而抑制浓度淬灭,增强发光,并且为增加最大激活剂掺杂浓度提供了可能性。此结果表明该层状材料更适合作为上转换发光的基质材料。除此之外,其顺磁性特征也表明该结构的纳米颗粒在上转换发光／磁共振双模式成像(UCL/MRI)方面具有潜在应用。4.我们用水热法合成了在可见光波段具有光催化作用、室温下具有铁磁性的Bi6Fe1.9Co0.1Ti3O18 (BFCTO)多功能纳米晶。通过调节反应中NaOH溶液的浓度为1.OOM,1.50M和2.00M,我们分别合成了具有不同形貌、大小、铁电性和带隙的BFCTO-1.00, BFCTO-1.50和BFCTO-2.00纳米单晶。随着BFCTO的{117}晶面的增加,样品的本征的吸收边红移32nm,带隙变窄并从2.58降到2.42eV。更重要的是,光降解速率通过比表面积归一化后,BFCTO-1.50样品的光降解速率强于BFCTO-1.00和BFCTO-2.00纳米颗粒,这是因为BFCTO-1.50样品具有最佳的{001}晶面与{117}晶面的比例。5.我们在上一章节的基础上合成了一种集多铁／上转换发光／光催化功能于一体的BFCTO/NaGdF4:Yb3+,Er3+(NGF)多功能复合纳米颗粒。实验结果表明,随着BFCTO/NGF纳米颗粒尺寸的变化,样品的铁磁性、上转换发光强度和可见光的光催化性能均发生改变。此外,该结构的纳米颗粒在生物成像方面具有很好的应用前景。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1

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本文编号：1228585