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电化学合成金纳米粒子及其与富勒烯杂化薄膜的光限幅性能研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着激光技术在科研、工业、国防以及医疗等众多领域的广泛应用，激光所带来的危害也日益凸显，其中强光对仪器和人体的损伤成为不容忽视的重要安全问题。例如在军事领域，高能激光武器的使用可能导致敌方光电设备的损坏以及人员眼部的严重伤害；在工业加工中，若激光防护不当，会对操作人员的视力造成永久性损害，同时也可能损坏精密的加工设备。因此，对激光防护材料的研究具有至关重要的现实意义。

光限幅材料作为激光防护的关键材料，能够有效限制高强度激光的透过，从而保护精密仪器的光电探测器以及人体的柔弱器官，如眼睛等，使其免遭高强激光的灼伤。当激光强度增大到一定数值后，光限幅材料可将透射的光强限制在一个很低的数值，确保设备和人员的安全。自1968年Letokhov首次观察到光限幅现象以来，该领域经历了从以半导体材料为主要研究对象的发现和理论发展阶段，到如今新型有机、无机、高科技复合光限制材料成为研究热点的过程。随着测量技术的不断进步，人们对不同光限幅材料的结构和性能有了更深入的认识。

金纳米粒子由于其独特的尺寸和形貌相关的物理化学性质，在众多领域展现出广阔的应用前景。在光学方面，金纳米粒子具有表面等离子共振吸收特性，其吸收峰位与粒子的直径和形状密切相关，并且在吸收光的同时还具有较强的散射光，即表面增强拉曼散射效应，这使得它在生物成像、传感器等领域有着重要应用；在电学方面，金纳米粒子的电学性质使其在电子器件中具有潜在的应用价值，如可用于制备高性能传感器、催化剂和电子器件等；在催化领域，金纳米粒子表现出良好的催化活性，能够催化多种化学反应。此外，金纳米粒子还具有良好的生物相容性和生物安全性，这为其在生物医学领域的应用提供了有力保障，例如可用于药物传递、生物成像和癌症治疗等。

富勒烯作为一种由碳原子构成的独特分子结构，具有高对称性的球形或管状结构，这赋予了它极高的稳定性和抗氧化性。其电子结构独特，具备良好的导电性和半导体特性，在电子和光电子材料领域应用广泛，如可作为有机场效应管、有机光伏电池和有机发光二极管的材料，尤其是在有机光伏电池中，作为电子受体材料与聚合物材料结合，能显著提高电池的效率。同时，富勒烯还表现出优异的光学性质，如高非线性光学响应和光吸收能力，这使得它在光学材料领域具有独特的应用价值，可用于制造光限幅器、光开关和光学存储设备等。

将金纳米粒子与富勒烯复合形成杂化薄膜，有望综合两者的优势，产生协同效应，进一步提升材料的光限幅性能。一方面，金纳米粒子的表面等离子共振吸收特性可能会增强富勒烯对光的吸收和散射能力，从而提高光限幅效果；另一方面，富勒烯的高稳定性和独特的电子结构可能会改善金纳米粒子的分散性和稳定性，使其在光限幅过程中能够更有效地发挥作用。这种杂化薄膜在激光防护领域具有潜在的应用价值，可用于制备高性能的激光防护器件，满足军事、工业等领域对激光防护的严格要求。

本研究通过电化学方法制备金纳米粒子，并将其与富勒烯复合形成杂化薄膜，深入研究该杂化薄膜的光限幅性能。旨在开发一种新型的高性能光限幅材料，为激光防护领域提供新的材料选择和理论支持，推动激光防护技术的发展，满足日益增长的激光防护需求，具有重要的理论意义和实际应用价值。

1.2国内外研究现状

1.2.1金纳米粒子的制备方法研究

金纳米粒子的制备方法多样，不同方法各有其优缺点和适用范围。化学还原法是较为常见的制备方法之一，例如柠檬酸钠还原法，早在1951年由TURKEVITCH提出，该方法仅需氯金酸、柠檬酸钠和超纯水作为原料，在水溶液高温条件下，柠檬酸钠既作为还原剂又充当稳定剂，能够制备不同粒径的纳米金，尤其适用于制备粒径在100nm以下的球状纳米金，但难以制备过小尺寸的金纳米粒子。晶体种子生长法也备受关注，南卡罗莱纳大学的Murphy课题组在2001年提出此方法，该方法分为成核和生长两步。首先通过化学还原法制备微小的金纳米粒子作为晶种，然后将晶种置于添加了不同比例还原剂、表面稳定剂等溶液的生长液中，使生长液中的游离态Au3+不断被还原为零价的Au原子并在晶种上定向沉积，最终形成各种不同尺寸、形态的金纳米粒子，生长液的配比和晶种的添加比例是控制金纳米粒子大小和形状的关键因素。

电化学法也是制备金纳米粒子的重要方法之一，最早由WANG等提出。该方法以金板作为阳极，通电时牺牲阳极电极产生金离子，以铂板作为阴极将金离子还原，采用表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和四正十二烷基溴化铵的混合溶液作为电解液，在超声及控制电流稳定的条件下进行电解。此方法的优势在于便于通过改变沉积时间、电压、电流等条件来精确控制金纳米粒子大小，制得的金纳米颗粒粒径均一，但存在耗能