[发明专利]一种强耦合的金纳米超晶格结构及其自组装制备方法

说明书

本发明公开了一种强耦合的金纳米超晶格结构及其自组装制备方法，所述超晶格结构是由一系列三十二面体金纳米颗粒密集排布所组成，颗粒平均间距控制在几十纳米到几纳米，整个超晶格呈现为一种单层薄膜形态，可见‑近红外波段范围内其存在两个特征化的等离子体耦合共振峰；自组装制备方法是结合了静电和毛细吸附的共同作用。本发明所选用的试剂和仪器设备简单易得、自组装方式灵活高效，所制备的强耦合金纳米超晶格结构实际面积达到cm²级，且重复性好。本发明为构造设计功能性的新型光学材料和器件奠定了实验基础，对于自组装其他形态的纳米晶结构单元制备大面积的超晶及其应用具有重要的参考价值。

技术领域

本发明涉及功能型纳米材料的合成制备领域，特别涉及一种具有强耦合效应的金纳米超晶格结构及其自组装制备方法。

背景技术

近年来，利用化学自组装技术将胶体纳米粒子构造设计形成各类大规模的块体超结构成为了一种功能型纳米复合材料有效制备及其工程化应用的主要研究方式。具有耦合效应的贵金属纳米超晶格结构，特别是二维或三维的超晶薄膜，由于其在特定频率电磁波下能够产生多种奇异的物理特性，例如异常的光学吸收或散射、可调的近场及分布、方向性的等离子体极化等，在整个化学自组装研究中倍受人们的关注。基于以上多种奇异物理特性的存在，耦合贵金属纳米超晶格在谱传感、等离子体超材料、表面增强拉曼散射、新型的光吸收系统等领域有着潜在的研究应用价值。

截至目前，人们已对具有简单形貌的贵金属纳米粒子(包括球形、棒状、立方、八面体)开展了一些的超晶格结构的自组装研究工作，但是由于制备方法上的局限性，很难精确控制相邻纳米粒子间距达到理想的尺寸范围，从而产生可能的表面等离子体耦合。尤其是对于单层的贵金属超晶格薄膜结构来说，已报道的化学自组装方法并不能够有效地调控纳米粒子聚集及分布状态，因而这些结构中一般不会出现特征化的耦合效应发生。人们曾试图通过反复的堆叠纳米粒子去实现超晶格结构及强耦合，但大都由于实验操作上复杂性及不稳定性而以失败告终。另外，对于复杂形貌的贵金属纳米粒子，以高晶面的超多面体纳米颗粒为例，由于它们通常暴露的高表面能存在以及十分有限的制备工艺，目前很少有关于化学自组装高晶面超多面体纳米颗粒构筑超晶格结构及其相关性能的研究。并且我们知道，高晶面的超多面体贵金属纳米颗粒具有常规形态所不同的表面等离子体共振现象，其相互之间耦合效应的发生理论上也大不相同。

因此综上而言，通过实验探索新型的化学自组装方法去构筑实现特定耦合效应的贵金属纳米超晶格单层结构，(特别是含有复杂形态的高晶面超多面体纳米颗粒单元)具有开创性的研究意义以及实际工程化应用价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题的是：考虑到现有单层金纳米超晶格结构中难于存在耦合效应的发生及其组成结构单元形貌上的单一性，提出了一种具有强耦合的金纳米超晶格单层结构，所述强耦合的金纳米超晶格单层是由一系列形貌统一的三十二面体金纳米颗粒密集排布所组成，可见-近红外宽波段范围内超晶格结构稳定存在两个特征化的等离子体耦合共振峰。同时本发明提供了一种简便高效、可实现大规模制造的化学自组装方法，即是结合了静电和毛细吸附的共同作用，将表面带负电荷的基片置于饱和浓度下表面带正电荷的三十二面体金纳米颗粒溶液中进行缓慢垂直提拉，通过控制自组装过程中的多个实验条件参数最终得到不同颗粒间距分布的强耦合金纳米超晶格。本发明所选用的试剂和仪器设备简单易得、自组装方式灵活高效，所制备的强耦合金纳米超晶格单层结构实际面积达到cm²级，且重复性良好。

本发明采用的技术方案如下：

一种强耦合的金纳米超晶格结构，所述金纳米超晶格结构是由一系列形貌统一的三十二面体金纳米颗粒经过密集化排布所组成，外形上呈现为一种二维的单层薄膜，可见-近红外宽波段范围内其存在两个特征化的等离子体耦合共振峰。

本发明中，所选用的三十二面体金纳米颗粒均包含有8个六边形面和24个五边形面，颗粒尺寸选择小于100nm。