[发明专利]一种水溶液中光触发合成超细银纳米线的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料领域、波导领域和薄膜器件领域，尤其涉及超细银纳米线的合成方法。

背景技术

银纳米线具有优良的导电性和导热性，还有块体材料所不具备的表面等离激元效应，与光相互作用形成表面等离子共振，将光的能量转变为银表面自由电子的集体振动能，在紫外、可见光波段实现强吸收，具有良好的透光性，广泛应用于薄膜器件领域；同时，银纳米线能激励起在金属和介质界面处传播的电磁波，能够实现对光的传输，在表面等离激元波导领域应用广泛，且能用于实现光电复用或光电混用系统。

在薄膜器件领域，传统的材料氧化铟锡(ITO)薄膜具有易碎柔韧性差、制作成本高且资源短缺等缺点，不能满足信息时代下新型柔性薄膜器件对柔韧性和耐曲挠性的要求。银纳米线与光相互作用，激励起的表面等离子体共振效应，该效应具有横向和纵向两个特征峰，当纳米线较长时，纵向特征峰红移至红外，在可见光波段只有横向峰，对于可见光波段的透光率较高。当透光率高的银纳米线相互连接形成网络时，会使薄膜器件具有优良的导电性能；同时银纳米线具有优异的曲挠性，化学性能稳定，制备简单，成本低，可用于工业生产，能够弥补ITO的劣势，成为新型薄膜器件最具潜力的材料。银纳米线制成的薄膜器件性能取决于几个重要的参数：雾度(Haze)、透光率、方块电阻。Haze是描述人眼看到的事物的模糊程度的重要参数，是制约当前银纳米线薄膜器件发展的瓶颈。Haze取决于纳米线的宽光谱散射能力，即与纳米线的直径密切相关。粗纳米线对光的散射强，导致haze高，严重影响薄膜器件的清晰度。目前银纳米线的直径一般在40nm以上，在可见光范围内散射较强，导致haze高约为5％-15％，而传统的ITO薄膜的雾度仅为1％-3％；当纳米线直径为10nm左右时，薄膜能有效改善薄膜器件的haze问题，达到ITO薄膜器件的雾度级别。透光率是表征薄膜器件透光性的重要参数，与纳米线的表面等离子共振效应相关，通常直径在40nm左右的银纳米线激励起的表面等离激元效应在可见光范围有一个强的吸收峰，阻碍了部分可见光的透过；随着纳米线直径的降低，共振峰蓝移，如果纳米线直径细到20nm以下，则吸收峰将会蓝移到紫外波段，对可见光几乎全透过，制成的薄膜器件的透光率将接近100％；透光率还与纳米线的长径比关系密切，当纳米线相互连接形成薄膜时，纳米线间由于交叉形成的节点会对光造成一定的遮挡，长径比越长，节点越少，透光性能也越好。方块电阻是表示薄膜器件导电性的参数，随着纳米线的直径的降低而增加，即纳米线越细，方块电阻越大，导电性越差。由此可见，减小纳米线的直径对于改善薄膜器件的haze和透光率的问题大有裨益，然而会一定程度上降低其导电性，出现了不可调和的矛盾。理论研究表明，直径在10nm左右的银纳米线能兼顾以上三个参数，在有效改善薄膜的haze，保证导电性优良。因此制备高产率直径小于20nm的银纳米线，是薄膜器件技术领域的瓶颈问题，一旦突破将极大促进纳米线在薄膜器件领域的推广应用，实现薄膜器件领域的革新。

在波导器件方面，传统的介质波导受到光学衍射极限的限制，对光的束缚能力较弱，通常传输的模式光斑尺寸为数微米，最小也仅到数百纳米，离光学集成和光电集成所需的尺度还有很大差距。用银纳米线制成的表面等离激元波导，能在金属和介质界面激励起表面电磁波，将光紧束缚在金属和介质界面纳米尺度的空间内传播，这种束缚能力比传统的介质波导更强，此波导支持的模式光斑更小，远突破衍射极限的限制，极大地提高了光学器件的集成度，是实现下一代超大规模集成化光子芯片系统的关键技术之一；同时由于银既能传输光信号，又能传输电信号，因此表面等离激元波导还能用于实现光电混合系统。

目前合成银纳米线主要采用的方法是多元醇法，该方法通过将硝酸银、聚乙烯吡咯烷酮和卤素盐溶解于乙二醇中，长时间加热还原得到银纳米线。该方法制备的纳米线产率较高，长度较长，可达数百微米；但是由于乙二醇体系下，银离子被还原的速率快，生成的多重孪晶的晶种大，且成核阶段和生长过程同步进行，导致晶核形成的同时核迅速长大，制备出的纳米线的直径粗，普遍大于40nm，制成的薄膜器件haze一般在5％以上，远不能满足高性能薄膜器件的要求。此方法主要依据对种子产率和产量的精确控制来实现可控生长，然而种子的生长过程极易受到添加剂、药品纯度、温度、湿度、与空气的接触程度等不可控因素的干扰，均会对成核阶段的反应造成致命的影响，从而导致实验的关键步骤即种子形成阶段很难精确控制，实验难以重复，不能实现应用。因此，需要优化改善或提出新的银纳米线的制备方法，进一步减小银纳米线的直径，这是纳米线薄膜器件领域的应用得以进一步发展急需解决的问题。

发明内容