[發(fā)明專利]一種水溶液中光觸發(fā)合成超細銀納米線的方法

有效

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• 申請日: 2016-10-26
• 公開（公告）號: CN106563812B
• 公開（公告）日: 2018-04-24
• 發(fā)明（設計）人: 張曉陽;張彤;薛小枚
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: B22F9/24
• 分類號: B22F9/24;B22F1/00;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發(fā)明屬于納米材料領域、波導領域和薄膜器件領域，尤其涉及超細銀納米線的合成方法。

背景技術

銀納米線具有優(yōu)良的導電性和導熱性，還有塊體材料所不具備的表面等離激元效應，與光相互作用形成表面等離子共振，將光的能量轉變?yōu)殂y表面自由電子的集體振動能，在紫外、可見光波段實現(xiàn)強吸收，具有良好的透光性，廣泛應用于薄膜器件領域；同時，銀納米線能激勵起在金屬和介質界面處傳播的電磁波，能夠實現(xiàn)對光的傳輸，在表面等離激元波導領域應用廣泛，且能用于實現(xiàn)光電復用或光電混用系統(tǒng)。

在薄膜器件領域，傳統(tǒng)的材料氧化銦錫(ITO)薄膜具有易碎柔韌性差、制作成本高且資源短缺等缺點，不能滿足信息時代下新型柔性薄膜器件對柔韌性和耐曲撓性的要求。銀納米線與光相互作用，激勵起的表面等離子體共振效應，該效應具有橫向和縱向兩個特征峰，當納米線較長時，縱向特征峰紅移至紅外，在可見光波段只有橫向峰，對于可見光波段的透光率較高。當透光率高的銀納米線相互連接形成網絡時，會使薄膜器件具有優(yōu)良的導電性能；同時銀納米線具有優(yōu)異的曲撓性，化學性能穩(wěn)定，制備簡單，成本低，可用于工業(yè)生產，能夠彌補ITO的劣勢，成為新型薄膜器件最具潛力的材料。銀納米線制成的薄膜器件性能取決于幾個重要的參數(shù)：霧度(Haze)、透光率、方塊電阻。Haze是描述人眼看到的事物的模糊程度的重要參數(shù)，是制約當前銀納米線薄膜器件發(fā)展的瓶頸。Haze取決于納米線的寬光譜散射能力，即與納米線的直徑密切相關。粗納米線對光的散射強，導致haze高，嚴重影響薄膜器件的清晰度。目前銀納米線的直徑一般在40nm以上，在可見光范圍內散射較強，導致haze高約為5％-15％，而傳統(tǒng)的ITO薄膜的霧度僅為1％-3％；當納米線直徑為10nm左右時，薄膜能有效改善薄膜器件的haze問題，達到ITO薄膜器件的霧度級別。透光率是表征薄膜器件透光性的重要參數(shù)，與納米線的表面等離子共振效應相關，通常直徑在40nm左右的銀納米線激勵起的表面等離激元效應在可見光范圍有一個強的吸收峰，阻礙了部分可見光的透過；隨著納米線直徑的降低，共振峰藍移，如果納米線直徑細到20nm以下，則吸收峰將會藍移到紫外波段，對可見光幾乎全透過，制成的薄膜器件的透光率將接近100％；透光率還與納米線的長徑比關系密切，當納米線相互連接形成薄膜時，納米線間由于交叉形成的節(jié)點會對光造成一定的遮擋，長徑比越長，節(jié)點越少，透光性能也越好。方塊電阻是表示薄膜器件導電性的參數(shù)，隨著納米線的直徑的降低而增加，即納米線越細，方塊電阻越大，導電性越差。由此可見，減小納米線的直徑對于改善薄膜器件的haze和透光率的問題大有裨益，然而會一定程度上降低其導電性，出現(xiàn)了不可調和的矛盾。理論研究表明，直徑在10nm左右的銀納米線能兼顧以上三個參數(shù)，在有效改善薄膜的haze，保證導電性優(yōu)良。因此制備高產率直徑小于20nm的銀納米線，是薄膜器件技術領域的瓶頸問題，一旦突破將極大促進納米線在薄膜器件領域的推廣應用，實現(xiàn)薄膜器件領域的革新。

在波導器件方面，傳統(tǒng)的介質波導受到光學衍射極限的限制，對光的束縛能力較弱，通常傳輸?shù)哪Ｊ焦獍叱叽鐬閿?shù)微米，最小也僅到數(shù)百納米，離光學集成和光電集成所需的尺度還有很大差距。用銀納米線制成的表面等離激元波導，能在金屬和介質界面激勵起表面電磁波，將光緊束縛在金屬和介質界面納米尺度的空間內傳播，這種束縛能力比傳統(tǒng)的介質波導更強，此波導支持的模式光斑更小，遠突破衍射極限的限制，極大地提高了光學器件的集成度，是實現(xiàn)下一代超大規(guī)模集成化光子芯片系統(tǒng)的關鍵技術之一；同時由于銀既能傳輸光信號，又能傳輸電信號，因此表面等離激元波導還能用于實現(xiàn)光電混合系統(tǒng)。

目前合成銀納米線主要采用的方法是多元醇法，該方法通過將硝酸銀、聚乙烯吡咯烷酮和鹵素鹽溶解于乙二醇中，長時間加熱還原得到銀納米線。該方法制備的納米線產率較高，長度較長，可達數(shù)百微米；但是由于乙二醇體系下，銀離子被還原的速率快，生成的多重孿晶的晶種大，且成核階段和生長過程同步進行，導致晶核形成的同時核迅速長大，制備出的納米線的直徑粗，普遍大于40nm，制成的薄膜器件haze一般在5％以上，遠不能滿足高性能薄膜器件的要求。此方法主要依據(jù)對種子產率和產量的精確控制來實現(xiàn)可控生長，然而種子的生長過程極易受到添加劑、藥品純度、溫度、濕度、與空氣的接觸程度等不可控因素的干擾，均會對成核階段的反應造成致命的影響，從而導致實驗的關鍵步驟即種子形成階段很難精確控制，實驗難以重復，不能實現(xiàn)應用。因此，需要優(yōu)化改善或提出新的銀納米線的制備方法，進一步減小銀納米線的直徑，這是納米線薄膜器件領域的應用得以進一步發(fā)展急需解決的問題。

發(fā)明內容