硅纳米线上负载金纳米粒子TEM图
硅基纳米材料因其独特的光学、电学、机械性能及它与常规硅技术较好的兼容性, 正成为一类具有吸引力的材料, 另外纳米尺度的硅材料由于其大的比表面积,它的表面性能显得非常重要. 金纳米粒子(AuNPs)负载到硅纳米线(SiNWs)表面上后所形成的复合材料由于大的比表面积、良好的导电性和AuNPs及硅表面特殊的化学性质, 使其在纳米器件及传感器领域具有广阔的应用前景, 因而它的制备、表征以及对它物理和化学性质的研究是十分必要的.
目前, 在SiNWs表面负载金属纳米粒子的制备方法普遍采用的是HF处理以后的SiNWs与金属离子的氧化还原反应. 刚制得的SiNWs由于表面有一层较厚的氧化层, 表现出一定的惰性, 经HF处理后氧化层被去除, SiNWs表面形成Si—H键, Si—H具有还原性, 可还原某些金属离子(Mn＋)为金属纳米粒子, 从而形成稳定的金属纳米粒子与SiNWs的复合体. 金属离子的还原以及硅表面的氧化, 涉及表面上的硅原子向吸附在SiNWs表面上的金属离子的电子转移过程.
由于金在硅表面的还原过程中的快速生长, 导致它的粒径较大, 覆盖密度小. 而如果反应过程中加入有机硫醇作AuNPs的稳定剂, 由于存在众所周知的金硫自组装反应, 有机硫醇就会阻碍AuNPs的进一步生长, 与不添加硫醇相比, 可以大大减小AuNPs的尺寸,覆盖密度也会增加. Zhang等使用几种不同的有机硫醇实现了尺寸较小、粒径均一的AuNPs的负载. 但是如何负载粒径更小的AuNPs并实现尺寸可控还有待研究, 另外对负载过程中不同阶段的产物的光谱的变化尚未进行过研究.
中国科学院理化技术研究所贺军辉等人在溶液中以正己硫醇作稳定剂, 利用HAuCl4与HF处理后的硅纳米线(SiNWs)的氧化还原反应, 在SiNWs表面负载金纳米粒子(AuNPs). 通过调整HAuCl4的浓度, 得到了AuNPs粒径从3.2到7.0 nm 的AuNPs/SiNWs复合结构, 并对这种复合结构进行了紫外-可见吸收光谱和荧光光谱研究. 紫外-可见吸收光谱研究表明, 负载不同粒径的AuNPs的SiNWs在530～580 nm 间有明显的由AuNPs表面等离子体共振引起的吸收, 且随着AuNPs粒径的增加, 该吸收峰发生红移. 负载前后的荧光光谱表明, 在红光和绿光区负载AuNPs的SiNWs的荧光峰与HF处理后SiNWs的荧光峰峰形相当, 峰位变化不大; 但在蓝光区, 不同于HF处理前后SiNWs的发射峰(464 nm左右), 负载了AuNPs的SiNWs在423 nm的位置处出现了强荧光峰, 这个峰是AuNPs费米能级的电子与sp或d带的空穴辐射复合产生的.