磁性金属-贵金属二元纳米粒子超晶格的自组装构筑、结构和性能研究

以纳米粒子为结构单元进行可控自组装获得新型固体材料是近年来纳米科技领域新兴起的研究热点之一。本项目拟采用化学液相法制备多种尺寸的单分散磁性金属和贵金属纳米粒子，并通过自组装技术构筑多种有序结构的磁性金属-贵金属二元纳米粒子超晶格。通过TEM明场像、电子衍射、高角度环形暗场像和小角度XRD等表征技术深入分析纳米粒子超晶格的结构，确定其结构模型。系统地研究纳米粒子的尺寸和浓度、溶剂类型和比例、表面修饰分子类型、组装温度和压力等各项参数与纳米粒子超晶格结构的关系，由此阐明超晶格的自组装机理，揭示决定其结构多样化的内因。通过多种表征技术探究超晶格的结构和其光、电、磁等物理特性的关系，研究后续处理对超晶格结构和性能的调控，为新型多元金属纳米粒子超晶格固体材料的开发和其实用化提供实验依据和理论指导。

本项目以纳米粒子的可控自组装制备新型固体材料为研究背景，首先对磁性金属和贵金属纳米粒子为主的多种超晶格组装单元的化学液相法制备进行了探索，在获得了具有可调尺寸不同组装单元的基础上，通过自组装技术构筑了多种含磁性金属和贵金属的单组元和二元纳米粒子超晶格，并对超晶格的结构、物理性能和自组装机理展开了研究，所取得主要进展和成果有：1）制备出了Ni、Cu、Au、Ag等尺寸可控、呈单分散的纳米粒子，为纳米粒子自组装成超晶格的研究提供了结构单元；2）制备了以磁性金属和贵金属为基础的多种核-壳结构纳米粒子，研究了其光学、磁学和催化等特性，实现了组装结构单元的多组元化和多功能化。3）研究了单组元纳米粒子形成超晶格的组装参数，获得了Ni、Cu、Au、Ag等单组元纳米粒子超晶格，表征了超晶格在不同组装基片上的有序结构；4）对不同尺寸Au纳米粒子自组装形成Au-Au双尺寸纳米粒子超晶格进行了研究，制备出了AlB2和NaCl型的纳米粒子超晶格，发现NaCl型结构可以在较宽的粒径比范围内介稳存在，溶剂诱导自组装的机理与纳米粒子层层堆积取向附生有关，相比于单组元纳米粒子的吸收谱，超晶格反射谱的表面等离子共振峰位发生明显红移，等离子体耦合表现出层内耦合的横向模式和层间耦合的纵向模式；5）通过自组装技术构筑了Ni-Au和Ni-Ag二元纳米粒子超晶格，获得了具有较好组装效果的组装参数，发现磁性金属纳米粒子的分隔会弱化贵金属纳米粒子之间的近场耦合，产生不同于单组元贵金属纳米粒子超晶格的光学特性。同样，贵金属纳米粒子的存在也会影响磁性金属粒子间的磁耦合，导致不同于单组元磁性金属纳米粒子超晶格的磁学特性。所制备的磁性金属-贵金属二元纳米粒子超晶格除了表现出室温超顺磁特性外，还具有较低的阻隔温度。这一结果意味着纳米粒子间的耦合可通过改变粒子尺寸、组成、结构类型等参数进行有效调节，从而为获得可调控的光学和磁学等性能提供了可能。