發(fā)布時(shí)間：2020-11-14 06:50

　　 金屬鎵熔點(diǎn)低(29.8℃),無毒,其微納結(jié)構(gòu)在光學(xué)分析與傳感、相變光學(xué)存儲(chǔ)、微流體、熱傳導(dǎo)以及醫(yī)學(xué)神經(jīng)連接等領(lǐng)域,有重要的應(yīng)用前景,因此鎵將是有巨大應(yīng)用前景的新材料之一。鎵的表面會(huì)形成很薄的致密氧化層,可以保護(hù)液態(tài)鎵納米顆粒。其中,金屬鎵原子具有3個(gè)價(jià)電子,可以實(shí)現(xiàn)由深紫外到紅外的表面等離激元(surface plasmon,SP)光譜調(diào)控。以往對(duì)可見至紅外光區(qū)SP的研究較多,對(duì)紫外光區(qū)SP的研究較少,但紫外SP在紫外日盲光電探測(cè)增強(qiáng)、紫外本征熒光增強(qiáng)、紫外共振拉曼增強(qiáng)等領(lǐng)域有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。鎵納米顆粒的SP可以拓展至深紫外光區(qū)。本文理論模擬部分,采用離散偶極近似法(discrete dipole approximation,DDA),研究了顆粒大小、介質(zhì)、氧化層和固液相變對(duì)鎵納米結(jié)構(gòu)SP的影響。實(shí)驗(yàn)部分采用超聲合成技術(shù),在不同氣液條件下合成鎵微納顆粒。研究?jī)?nèi)容與結(jié)果如下:1.首先計(jì)算模擬研究了顆粒半徑、介質(zhì)和氧化層對(duì)液態(tài)鎵球形納米顆粒表面等離激元SP的影響。結(jié)果表明,通過改變半徑,消光峰可從深紫外到可見區(qū)可調(diào),隨顆粒半徑增大而發(fā)生顯著紅移;半徑增加時(shí)出現(xiàn)多級(jí)共振,對(duì)于液態(tài)鎵球形納米顆粒,在真空、乙醇和聚乙烯開始出現(xiàn)四極共振的最小尺寸分別50 nm、30 nm、30 nm和20 nm。多級(jí)共振的出現(xiàn)與環(huán)境介質(zhì)折射率有關(guān),折射率大的在小尺寸時(shí)就能出現(xiàn)高極共振。另外,表面氧化層的存在導(dǎo)致共振峰位的紅移,且消光強(qiáng)度呈線性下降。該研究為深紫外至可見區(qū)多波段光譜調(diào)控提供重要參考。2.接著用DDA計(jì)算方法,調(diào)控鎵納米結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸和表面氧化層厚度,比較研究了固液態(tài)鎵納米結(jié)構(gòu)消光譜的區(qū)別。對(duì)于球形納米結(jié)構(gòu),真空中消光譜固液態(tài)相變時(shí)幾乎重合,聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)中消光譜固液態(tài)相變時(shí)有些差別,液態(tài)鎵消光效率稍高,但固液差異不大。因此,球形鎵納米結(jié)構(gòu)不適合用于固液相變光學(xué)存儲(chǔ)。對(duì)于圓柱體納米結(jié)構(gòu),在真空中還是PDMS中,長(zhǎng)徑比較大時(shí),液態(tài)消光效率可以遠(yuǎn)高于固態(tài)消光效率,液態(tài)消光峰窄而尖銳。這意味著采用圓柱體納米結(jié)構(gòu)選擇合適的長(zhǎng)徑比,可以有差異較大的固液態(tài)SP光譜,從而用于固液相變光學(xué)存儲(chǔ)。本研究為鎵固液相變光學(xué)存儲(chǔ)提供重要參考。3.采用超聲法合成鎵微納顆粒,探究四種不同氣液條件對(duì)鎵顆粒尺寸、形貌、懸浮特性和光學(xué)性質(zhì)的影響。四種氣液條件分別氮?dú)庵泻铣?空氣中合成,雙氧水中合成與中途加雙氧水合成。結(jié)果表明,合成的顆粒的尺寸以微米量級(jí)為主,少數(shù)為納米量級(jí)。其中,氮?dú)庵泻铣傻臉悠沸☆w粒多些;氮?dú)庵信c空氣中合成的顆粒接近球狀或橢球狀;雙氧水中合成顆粒形狀極不規(guī)則且表面粗糙。超聲合成的顆粒都有氧化層包裹保護(hù)著。四種條件下合成的鎵微納顆粒能夠在溶劑中懸浮三天而不沉降。在雙氧水中合成的樣品在紫外-可見區(qū)有強(qiáng)光吸收。在空氣中合成的樣品的表面殼層熒光最強(qiáng)。本研究為面向液態(tài)金屬微流體、熱傳導(dǎo)、打印墨水和光發(fā)射材料等領(lǐng)域應(yīng)用,提供樣品合成方面的參考,有重要實(shí)用價(jià)值。
【學(xué)位單位】：安徽工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TB383.1;TG146.43
【部分圖文】：

圖 1.1 固態(tài)金屬鎵Fig 1.1 Solid metal gallium鎵可以很容易與大多數(shù)金屬合金化，所以鎵被廣泛用作制備低，最常用的兩種鎵基合金是共晶鎵銦 (EGaIn，75％Ga 和 25％％Ga，22％In 和 10％Sn)，熔點(diǎn)分別為 15.7℃和-19℃。鎵銦合金是一種非牛頓流體，當(dāng)受到剪切力時(shí)可以自由流動(dòng)。這種特性是形成了薄的（約 1 nm）氧化鎵表層而形成的，類似于金屬鋁上。如果合金受到外力作用，氧化物表層會(huì)呈現(xiàn)出褶皺外觀，并且層下方流動(dòng)。在沒有這種氧化表層的情況下（例如，在無氧環(huán)境物酸的存在下），鎵銦合金的行為與汞相似，由于其高表面能而通常，鎵基液態(tài)金屬不僅保留了傳統(tǒng)金屬的基本屬性，如良好的優(yōu)異的機(jī)械性能，而且還具有良好的流動(dòng)性和低粘度等典型液20 ℃下幾乎是水的兩倍）。此外，鎵基液態(tài)合金還具有形狀轉(zhuǎn)換于官能化可及性，磁性和自愈性能等特征。通常，這些組合特征

當(dāng)空氣中的氧含量高于百萬分之一(p在真空條件下，鎵氧化物層的厚度也約為 0.7 n過程的繼續(xù)并將氧化層的厚度增加至約 3 nm。變成氧化鎵一氫氧化物(GaOOH)的形式，其鈍化。此外，這種氧化層在破裂時(shí)可立即重新形成[定住內(nèi)部液態(tài)鎵的同時(shí)降低其表面張力，并能促，氧化層也會(huì)導(dǎo)致一些不好的影響，如氧化鎵層聚合物等材料的表面上，在一定程度上降低鎵的金屬難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確量化�；餅檠趸�(Ga2O3)，其中 Ga2O3晶體會(huì)表現(xiàn)是最穩(wěn)定的形態(tài)，而其他形態(tài)都是不穩(wěn)定亞穩(wěn)9 eV，是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料[8,9]。

圖 1.3 (A) 液態(tài) Ga 光柵側(cè)面圖。模板的周期為 400nm，線寬為 150nm，高度為 35nm；(B)液態(tài)金屬光柵的平面照片[21]gure 1.3 (A) Side view of liquid Ga grating. The period of the template is 400 nm, the linewidis 150 nm and the height is 35 nm; (B) Planar photographs of liquid metgratings[21].3.3鎵微納米顆粒在微流體和熱傳導(dǎo)方面的應(yīng)用微流體被稱為跨學(xué)科領(lǐng)域的重點(diǎn)是精確控制亞毫米尺度。常見組件包括通、泵、電極、閥門、傳感器、加熱器和冷卻器，液態(tài)金屬納米顆粒在微流體和傳導(dǎo)方面有著廣泛的應(yīng)用。在最近的一項(xiàng)研究中，Ga66In20.5Sn13.5(熔點(diǎn)為 10.6 ℃在電滲透流中用作非接觸電極，當(dāng)聚二甲基硅氧烷微通道之間的間隙為 20 微，電壓為 1.6 V 時(shí)，流體速度可以達(dá)到 5.93 um/s。使用低熔點(diǎn)液態(tài)金屬作為微極實(shí)現(xiàn)了微流體泵的小型化。由于減少了熱量的產(chǎn)生而形成的氣泡，使得微流泵在小藥物和生物大分子的液體輸方面有著廣闊的前景。Tang S Y[22]等人還建了一個(gè)微流體泵加上鎵銦錫合金液滴（圖 1.4 為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖）。
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本文編號(hào)：2883209