有序纳米薄膜的组装及其结构研究

纳米材料具有一系列新异的物理、化学特性，但是纳米粒子只有组装特定的结构才能制成器件应用于实际。本论文的目标就是制备多种具有特定结构的周期性有序的纳米薄膜，探索化学方法制备各种有机－无机、无机－无机超晶格结构的途径。首次通过布儒斯特角显微镜，观察到了 SnO_2、Fe_2O_3 及 TiO_2 等无机氧化物纳米溶胶在其与空气的界面上能自发成膜的现象，并进一步对 SnO_2 纳米溶胶界面所形成的界面膜进行了详细研究，发现在空气与 SnO_2 纳米溶胶界面形成稳定的界面膜约需 8 h，膜厚约为 20 nm，垂直方式转移的膜质量比较好，膜的组成为非化学计量比的 SnO_(2-x)，其中存在着大量的氧空位。虽然随着在空气中放置时间的增长，发现转移出来的膜不很稳定，膜中粒子有长大的倾向，但是薄膜始终处于纳米量级，而且这种方法操作简单、适于规模化生产，因此仍不失为一种制备无机氧化物纳米薄膜的方法。为了达到使纳米粒子稳定和有序化的双重目的，制备了花生酸掺杂的 DBS 包裹的 SnO_2 纳米有机溶胶，并采用 LB 技术对其进行了组装。发现花生酸掺杂的 SnO_2 纳米粒具有很好的成膜性，崩溃压可达 60 mN/m，可以成功地往固体基片上转移上百层，转移比均在 0.8-1.0 之间。转移膜的红外光谱、紫外光谱及 X 光电子能谱的研究表明，转移多层膜的组成为 SnO_2 和花生酸，包裹 SnO_2 纳米粒子的 DBS 为花生酸所代替而溶于亚相水中。转移膜非常均匀，由 100 nm 左右的畴构成，畴由更小的粒子组成。偏振红外光谱和小角 X 射线衍射的研究表明花生酸在膜中是取向排列的，碳链与其法线约成 10.2°夹角，SnO_2 纳米粒子和花生酸形成了交替重复的周期性结构，其周期间距为 7.48 nm。采用同样方法，还成功地组装了 TiO_2 纳米粒子和花生酸交替重复的周期性有序结构。进一步对花生酸掺杂的 TiO_2 纳米粒子和 SnO_2 纳米粒子进行了交替组装，发现交替膜是由 SnO_2、TiO_2 和花生酸组成的，花生酸在膜中取向排列，其碳链与法线的夹角为 36°，SnO_2 纳米粒子、TiO_2 纳米粒子和花生酸形成了一种有机物质和两种无机纳米粒子交替重复的 SnO_2－花生酸－TiO_2－花生酸的周期性有序结构，其周期间距为 6.46 nm。得到了几种准一维的有机－无机超晶格结构并找到了制备它们的化学方法。对所得的 SnO_2－花生酸和 SnO_2－花生酸－TiO_2－花生酸的周期性有序结构直接进行了热处理，并对组合体的变化进行了研究。发现热处理后，膜中的有机成分完全分解，前者的周期性结构遭到彻底破坏，但是却得到了沿 (101)晶面取向的 SnO_2 薄膜；后者的周期性结构经过一系列的变化，却依然保持，形成了 SnO_2 纳米粒子和 TiO_2 纳米粒子交替重复的周期性有序结构。开辟了一条采用化学方法制备准一维的无机－无机超晶格材料的途径。成膜物质在亚相表面形成稳定的单层膜的条件和单层膜向固体基片的转移条件是制备高质量 LB 膜的关键，重点对花生酸在 YCl_3 稀溶液表面的成膜行为进行了研究，发现亚相的 pH 值和溶剂的挥发时间对单分子膜的形成都具有很大影响，所形成的单分子膜在该亚相表面是不可逆的。进一步研究了单层膜的转移条件，并选定最佳条件将单分子膜转移到固体基片上，对膜的组成、形貌等进行了多种表征测试。发现我们得到了是结构非常好的含有三个链的花生酸钇 M(AA)_3 的 Y－型的周期性结构，碳链在膜中与基底法线的夹角为 28.5°，而不是有的文献认为的羟基化的花生酸钇 M(AA)_2OH LB 膜。