自组装电化学法沉积氧化亚铜的形貌研究

【作者】 李嘉； 蔡强； 李恒德；

【机构】 清华大学材料系；

【摘要】 晶体奇特而美妙的外形自古以来一直吸引着科学家们的研究目光。早期的研究通过对晶体在平衡态形成的多面体形态的分析,建立了晶体学的一些基础理论。近年来,人们发现在远离平衡态的生长条件下产生了复杂多样的晶体形貌,并通过一系列的实验方法和计算模拟分析了宏观热力学因素和微观动力学因素(表面张力,表面动力,各向异性)在这些复杂形态形成中的作用。电化学沉积法是研究非平衡晶体生长的典型的实验方法,尤其是枝晶的生长形态研究,通过改变实验中电极和电场的施加方式,用物理理论和数学方法分析了不同复杂形态的形成。随着人们对生物过程研究的深入,发现了生物体中具有独特形态结构的生物矿物,并通过仿生自组装化学合成出了具有类似结构的无机材料[5-8],对矿化过程的深入研究还证明,有机超分子不仅通过自组装的方式提供模板效应,对于无机物的结晶和生长的动力学过程也有一定的影响,也就是说不仅在微观上调制无机矿物的结构,也影响着矿物的形貌。在电化学沉积中加入超分子如表面活性剂,近年来被广泛用于合成纳米材料,利用有机分子在溶液中的自组装过程的模板效应,已经成功合成了介孔材料和纳米线,纳米管等。采用电化学自组装的方法具有工序简单,可控性好产业化容易等优点。但目前的研究重在报道特殊纳米结构的合成,如介孔材料和纳米线,而对于沉积物的宏观晶体形貌少有研究。本课题组在采用电沉积自组装法合成具有纳米结构的氧化亚铜时,发现沉积物不仅具有特殊的微观结构还呈现出独特的宏观外形,呈现出类似自然界中花形貌,且随着实验条件的变化,花瓣形貌也发生显著的变化,且这些花瓣状晶粒还具有一定的介观/纳观结构。本文对观察到沉积产物的形貌多样性和结构特点进行了总结和归纳,并结合相应的实验条件进行了形态发生和结构形成机制的分析。我们的实验结果对于无论是对于理解生物体形态发生还是实现特殊结构的仿生制备都具有重要的意义更多还原