[发明专利]一种加热光照控制合成的金纳米颗粒阵列结构及其合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种贵金属纳米颗粒阵列结构及其制备方法，特别涉及一种加热光照制备金(Au)纳米颗粒阵列结构，以及该金纳米颗粒阵列结构的合成方法，属于功能纳米结构材料制备技术领域。

背景技术

纳米材料由于其特殊的物理化学性质而受到人们的广泛关注，其中有序的纳米颗粒阵列结构具有重要的理论意义和应用前景，更是引起人们浓厚的研究热情。目前国际上已发展了多种方法制备周期性纳米结构，比如光刻技术、电子束刻蚀技术、扫描探针辅助技术、微接触印刷技术，这些方法需要使用复杂的设备，制备过程复杂、技术难度高，成本较高，难以大面积制备，难与工业化生产接轨。模板法也可以获得周期性纳米结构，现有的模板如高分子微球模板法，多孔氧化铝模板却难以制备直径30nm以下的纳米颗粒阵列。因此，研究者们开始思考如何通过简单的途径，如用嵌段共聚物模板来获得较小粒径的周期性纳米结构。嵌段共聚物是由两种或两种以上的高分子通过化学键首位相连而成的，它的特点是能够自组装形成尺寸在5～100nm的周期性有序图案结构，可以作为纳米结构的模板。此外，嵌段共聚物中含有一些活性含氧或含氮基团，不仅易于实现对金属前驱体的选择性富集、组装，而且其中的-OH，-NH基团有还原性，可利用其对吸附的金属离子进行原位反应，实现金属阵列的简易制备。

研究发现，贵金属纳米材料在光学滤光器、等离激元光波导、表面增强拉曼、催化反应、生物/化学传感器等方面有着潜在的应用价值，并且通过液相化学过程制备贵金属纳米材料的方法层出不穷，如化学还原法、超声还原、γ-辐射等。同时，还可以通过光照还原法制备贵金属纳米材料，优点为反应过程温和、绿色，不会有残留物包裹在纳米产物的周围，而且在溶液相中光照不仅可以实现贵金属离子还原并形成金属纳米颗粒，还可以诱导纳米颗粒发生形状重构。但是，在固体基底上通过简单的光照方法制备Au二维周期性纳米颗粒阵列结构的报道目前只有1篇，德国的Thomas小组采用刻蚀技术首先产生金晶种，然后通过光化学生长的方法获得金纳米颗粒阵列，但是颗粒的大小不均匀，形状多样，需要后续的高温退火(720℃)才能获得尺寸较为均一的纳米颗粒(T.A.Seidenstücker,P.Olk,A.Plettl，P.Ziemann,L.M Eng,Nanotechnology,2010,21,145309)。总之，对于尺寸小于30纳米的金纳米粒子的有序阵列的规模化制备，目前尚未形成简单的、低成本的纳米组装工艺。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种同时利用加热法和光照法制备的Au纳米颗粒阵列结构的方法。

技术方案：本发明所述金纳米颗粒阵列结构的合成方法，包括如下步骤：将氯金酸水溶液作为金源滴在嵌段共聚物的有序图案模板上得到混合体系，将混合体系静置、洗涤，然后同时进行光照和加热，得到金纳米颗粒阵列结构；或者将氯金酸溶液和嵌段共聚物氯仿溶液混合得到混合体系，将混合体系旋涂在硅片或石英基片上，将得到的硅片或石英基片在1.4-二氧六环的气氛中放置5-8h，以便形成有序结构，然后同时进行光照和加热，得到金纳米颗粒阵列结构。

其中，所述方法可进一步优化：以体积为0.1mL～1mL浓度为0.005～0.024mol/L氯金酸水溶液作为金源滴在嵌段共聚物的有序图案模板上得到混合体系，将混合体系静置一段时间，以便氯金酸最大程度的吸附到嵌段共聚物有序图案薄膜上，然后洗涤数次以除去多余的微吸附的氯金酸，之后同时进行光照和加热，得到金纳米颗粒阵列结构；或者将氯金酸溶液和嵌段共聚物氯仿溶液混合得到混合体系，其中氯金酸的浓度为0.001～0.006mol/L，嵌段共聚物的浓度为0.5wt％～2wt％，所述氯金酸水溶液与嵌段共聚物溶液的体积比为1:4，取20～30μL旋涂在硅片或者石英基片上，将得到的硅片或基片在1.4-二氧六环的气氛中放置5-8h，以便形成有序结构，然后同时进行光照和加热，得到金纳米颗粒阵列结构。

所述嵌段共聚物的有序图案模板是通过溶剂退火的方法制备的。具体包括：配制0.5wt％～2wt％的嵌段共聚物氯仿溶液，取20～30μL该溶液以2000～3000rpm/s的速度匀胶在1cm×1cm的硅片或石英片上，将得到的样品在1,4-二氧六环的气氛中放置5～8h，获得有序图案模板。

其中，所述加热的温度为40～100℃，光照的波长为190～315nm，光照和加热的时间均为1～4h；优选地，所述加热温度为70～80℃，光照波长为190～254nm，光照和加热的时间均为2～3h。