具形態控制的氧化亞銅奈米晶體及氧化亞銅包金之核殼異質結構之合成及其物理與化學性質的探討

Morphosyntheses of Cuprous Oxide Nanocrystals and Au-Cu2O Core-Shell Heterostructures with Systematic Shape Evolution and The Examination of Their Physical and Chemical Properties

郭俊宏(Chun-Hong Kuo)

指導教授 ： 黃暄益

國立清華大學/理學院/化學系/博士(2009年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2009.00298

摘要

氧化亞銅是一種具有直接能隙2.0 eV的p型半導體。在1920年代，它就因本身光敏感的性質而被材料科學家感興趣，隨後在1930至1940年間，有大量的研究皆專攻於氧化亞銅的性質探討。在近十年中，氧化亞銅也隨著對奈米材料研究的盛行而吸引了很多人的注意，同時各種合成氧化亞銅奈米材料的方法也快速的被發展出來。除此之外，也有些許的文獻已經開始探討氧化亞銅在氣體感測，光催化，氧化一氧化碳以及在鋰電池上的應用。
在研讀過許多關於氧化亞銅的文獻，我們了解到唯有利用水溶液系統來製備氧化亞銅奈米材料，才可以有利於之後的應用並符合簡單、反應溫和、低成本以及對環境友善等材料需具備的條件。首先，我們以植晶法去製備出高一致性的截角奈米方塊，並在經過多步驟的連續植晶，可以合成出五種不同尺寸。針對單一顆截角方塊的結構我們去做了詳細的結構鑑定，同時也利用紫外光–可見光–近紅外光光譜儀測定這五種不同尺寸奈米方塊的光學性質。完成這研究後，我們開始思考如何在相同的系統下簡單的誘導不同形狀的奈米晶體形成，也因此採用了氫氧胺當還原劑。在這個實驗系統中，我們單純藉由增加還原劑的量就成功地將方塊轉變成八面體並得到兩個中間形態的產物。此外，單純提高pH值可以調控每一種形狀的尺寸。在合成出方塊跟八面體後，我們進行光分解染料分子的實驗而了解到，暴露於八面體表面的{111}晶面相較於暴露於方塊表面的{100}晶面，具有較高的光分解活性。
在我們第三個研究的主題，我們是提出了一個非常簡單的合成步驟，成功的製備出截角菱形十二面體的中空奈米籠與兩種形態的奈米框架。同時，我們在合成過程中加入金的奈米八面體與奈米棒去了解整個奈米籠的變化，結果發現了奈米籠的形態會隨金的形態而產生變化，在氧化亞銅的合成上實是一大突破。最後，基於金與奈米籠結合的概念，我們又發展出金–氧化亞銅核殼奈米結構的製備方法，同時藉由改變加入反應裡氫氧胺的量，可以調控核殼結構表面形態的變化。藉由觀察不同反應時間的產物，我們也發現了與一般核殼奈米結構截然不同的形成機制。
結論上，我們提出了四種相當簡單的實驗方法來製備出可調控且難得的奈米結構。這些方法具有反應溫和、步驟簡單、具高再現性、低成本以及容易量產等優勢，也因此對於之後進一步的研究與應用有著莫大的助益。值得注意的是在我們的方法概念裡，會採用水溶液系統與不加熱主要都是享符合綠色化學的精神，同時這也許會是將來材料研發的主軸，更是我們實驗室研究未來的方針之一。

關鍵字

氧化亞銅 ； 奈米 ； 半導體 ； 異質結構 ； 形狀控制 ； 尺寸控制

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cuprous oxide ； nano ； semiconductor ； heterostructure ； shape control ； size control

參考文獻

1.Grondahl, L. O. Science 1926, 36, 306.

2.Lange, B. Photoelements and Their Applications, 1939, Reinhold, NewYork.

4.Hovel, H. J. Sol. Energy Mat. 1980, 2, 277.

5.Pastrnak, I. Sov. Phys.–Solid State 1959, 1, 888.

8.De Jongh, P. E.; Vanmaekelbergh, D.; Kelly, J. J. Chem. Commun. 1999, 1069.