导读:本文包含了光学碰撞论文开题报告文献综述及选题提纲参考文献，主要关键词:纳米电化学,超微电极,荧光显微镜,表面等离激元共振显微镜
光学碰撞论文文献综述
孙琳琳,王伟,陈洪渊[1]（2019）在《结合光学成像技术研究单颗粒碰撞电化学（英文）》一文中研究指出近年来,单颗粒碰撞技术在纳米电化学领域受到广泛关注.该技术通常控制超微电极处于某一电位,检测单个纳米颗粒随机碰撞到电极表面后产生的瞬时电流.通过分析电流信号,可以研究单个纳米颗粒的性质.尽管该技术可以检测单个纳米颗粒的电化学或电催化电流,但是传统的单颗粒碰撞技术缺乏空间分辨率,难以识别和表征特定的纳米颗粒.因此,结合光学成像技术研究单颗粒碰撞电化学来补充电化学技术缺失的空间信息已成为一种趋势.本文首先简要综述了单颗粒碰撞技术的叁种检测原理,主要介绍了近年来单颗粒碰撞技术与荧光显微镜、表面等离激元共振显微镜、全息显微镜和电致化学发光相结合的研究进展,最后展望了单颗粒碰撞技术未来的发展趋势.(本文来源于《电化学》期刊2019年03期）
孙琳琳[2]（2019）在《单颗粒碰撞电化学的光学成像研究》一文中研究指出许多纳米材料具有优异的电化学性能,因此在电催化、电化学传感、电化学能源等各个领域得到广泛应用。传统纳米电化学研究的对象,往往是包含有数百万乃至数亿纳米颗粒的宏观电极界面,研究结果反映的是体系中所有纳米颗粒的整体平均性能。但是由于纳米颗粒在结构和活性上均具有内在的、显着的个体差异性,这种平均效应就会模糊纳米材料结构和功能之间的关系,不利于界面电子转移规律和机理的阐明及其性能的提升。近十余年来,随着电分析化学和微纳加工技术的发展,在纳米电化学领域出现了一种基于单个电活性纳米颗粒与惰性电极界面随机碰撞的新颖研究方法,简称为单颗粒碰撞技术。该技术运用计时电流法检测纳米颗粒随机碰撞到超微电极表面后产生的瞬时电流。通过对电流信号进行分析,能够进行单个纳米颗粒的性质研究。尽管该技术可以获得单个纳米颗粒的直接电化学或电催化电流,但仍然存在诸多亟待解决的瓶颈问题。第一,传统的单颗粒碰撞技术缺乏空间分辨率,虽然能够利用统计学原理“确信”某一电流峰来自于单个纳米颗粒,但是无法将其归属于某个具体的纳米颗粒,也无法对该纳米颗粒进行识别和表征。因此,在结构—活性关系中仅能获得活性信息,结构信息则完全丢失。第二,尽管统计学理论确认绝大多数的电学信号来自于单个纳米颗粒的碰撞,但对于偶然出现的异乎寻常的电流信号,无法确认其对应于某一个性能特别优异的单颗粒,亦或是由多个纳米颗粒同时撞击电极表面引起的。与此同时,许多不同种类的光学显微成像技术已经充分具备了开展单颗粒光学成像所需的灵敏度和分辨率。基于以上认识,本论文将表面等离激元共振显微镜(Surface Plasmon Resonance Microscopy,SPRM)这一新兴光学显微成像技术引入单颗粒碰撞电化学的研究中,结合光学显微镜的高空间分辨率与电化学测量技术的高灵敏度开展单颗粒电化学反应动力学研究,致力于阐明微纳尺度的电子转移行为和规律,为单颗粒水平的电活性材料结构一活性关系提供理论基础和技术支撑。本论文的主要内容包括:1.表面等离激元共振显微镜和电化学仪器的同步装置搭建为了弥补单颗粒碰撞技术空间信息缺失的不足,本工作搭建了 SPRM和电化学仪器的同步装置。在课题组前期的研究中,没有将SPRM和单颗粒碰撞技术联用的原因是电极背景电流过大,导致了无法直接检测到单个纳米颗粒的电化学信号。因此,本工作在技术和数据处理上做了叁点努力。第一,通过微纳加工技术制成了透光的微电极以达到降低背景电流的目的,同时保证了所有电子转移都发生在光学视野内,有利于光学图像和电学信号的同步分析。第二,采用微电流放大器作为电化学系统以满足单颗粒碰撞引起的pA级电流信号检测的需要,使用数据采集卡连接光学显微镜和电化学仪器实现了光学和电化学记录的同步。第叁,自行编写了基于Matlab软件的数据分析代码,设计了图形用户界面批量处理实验数据,快速提取了纳米颗粒碰撞时刻的光学和电化学信号。2.同时检测单纳米颗粒的光学和电化学信号本章工作以银纳米颗粒的溶出电化学过程为研究对象,同时检测了单个银纳米颗粒碰撞—溶出过程的光学和电化学信号,检验了光学和电化学同步装置的可行性。其中光学信号提供了颗粒大小和位置的信息,电化学信号反映了颗粒的活性,为在单纳米颗粒水平上开展结构—活性关系研究建立了新方法。在此基础上,进一步利用单个银纳米颗粒的体积与光学信号强度之间的定量关系,根据光学信号计算了单个银纳米颗粒的电子转移速率。结果表明,利用光学—电化学信号转换模型计算得到的“光学”电流与直接记录到的电化学电流相一致。这一工作首次对光学—电化学信号转换模型的可靠性进行了直接、定量地验证。3.单个银纳米颗粒碰撞过程的多重峰行为研究在较低的时间分辨率下,银纳米颗粒的电化学溶出过程表现为一个连续的电子转移过程。进一步研究发现,当电化学记录的时间分辨率提高到微秒水平时,单颗粒碰撞的电极电流不再连续,而是呈现为多个彼此分隔的电流峰。多个纳米电化学研究小组均报道了这一“多重峰”现象,并将其归因于由静电排斥或布朗运动引起的纳米颗粒与电极之间的物理分离过程,但缺乏直接证据。由于SPRM能够对银纳米颗粒与电极界面之间的距离进行高灵敏度测量,本章工作相应提高了 SPRM的成像时间分辨率,实现了单个银纳米颗粒碰撞和电化学溶出过程中叁维运动轨迹的快速、高灵敏度示踪。同时记录光学和电化学信号可以将纳米颗粒的物理运动(光学信号)和电子转移过程(电化学信号)关联起来。光学成像结果显示,多重电流峰并不必然伴随单颗粒空间位置的变化。即使在没有发生电子转移的间歇期,纳米颗粒仍与电极保持表观的物理接触。这表明,单个纳米颗粒与电极界面电学接触在纳米乃至原子尺度上的动态特性,而非简单的单颗粒空间迁移,可能是电化学电流多重峰现象的原因。4.单个钴酸锂纳米颗粒碰撞和脱锂过程的研究除了银纳米颗粒的直接电化学溶出反应以外,进一步探索了此项技术在其它电活性纳米材料中的应用。钴酸锂(LiCoO2)不仅是研究离子嵌入型电化学反应的经典模型材料,同时也是商用锂离子电池中最成功的正极材料之一,具有重要的实际意义。课题组前期研究发现,LiCoO2纳米材料的介电常数在电化学氧化—还原的循环过程中表现出可逆的细微变化。本研究进一步开展了单个LiCoO2纳米颗粒碰撞过程的SPRM成像研究。其中,电化学信号提供了单个LiCoO2颗粒在电极上碰撞时的电子转移速率和数量信息。SPRM记录了同一颗粒的大小和碰撞位置,以便与扫描电子显微镜相结合进行形态学表征。这一工作首次将单个锂离子储能材料的电化学活性与形态相关联,这不仅使单颗粒碰撞技术用于研究不同类型的电池材料,也为建立锂离子储能纳米材料的结构—活性关系奠定了基础,有望用于改善和提升锂离子电池性能。5.单个普鲁士蓝纳米颗粒碰撞过程的电子转移由于在水性和有机电解质中具有良好的电化学循环寿命和速率性能,普鲁士蓝近年来成为一种广受关注的钾/钠离子电池正极材料。本工作结合SPRM和单颗粒碰撞技术同时监测了单个普鲁士蓝纳米颗粒碰撞和插钾过程的电子转移。光学成像结果表明,当单个普鲁士蓝纳米颗粒与微电极碰撞后,先在电极表面停留一段时间再发生SPRM的强度变化。通过比较纳米颗粒SPRM强度变化的时刻和电子转移过程发生的时刻,发现了这两个过程在单颗粒水平上的不同步性。本论文将SPRM与单颗粒碰撞技术联用,搭建了SPRM和电化学仪器的同步装置,实现了单纳米颗粒电化学反应过程的光学和电化学信号同时记录。首次直接、定量地验证了光学—电化学信号转换模型的可靠性。通过提高光学和电化学记录的时间分辨率,进一步揭示了电化学电流多重峰现象。本论文不仅研究了基础电化学反应过程,还将此项技术扩展到储能材料体系,首次将单个锂离子储能材料的活性与形态相关联。未来,需要做更多努力来提高光学记录的时间和空间分辨率,研究更快的电子转移过程,进一步揭示微纳尺度的电子转移机理。还可以将此项技术拓展到生物领域,比如研究单个细胞器(线粒体、叶绿体等)代谢反应的动力学。(本文来源于《南京大学》期刊2019-05-13）
别昊,张跃[3]（2017）在《生活就是精彩不断的碰撞——专访云南省昆明市750现代视光学有限公司常务副总王玉珏》一文中研究指出喜欢关注独立设计师的公众号、爱看澎湃新闻、是电子音乐的忠实粉丝、小众才是她的真爱……第一次见王玉珏,或许你会以为她是一位游走于时尚圈的职业行家,但事实上她却在昆明坚守实体眼镜店已有8年,从父辈手中接过企业,她将750现代视光学有限公司打造成了针对中高端人群的眼镜零售企业。王玉珏用了8年的时间证明了一件事——传统也可以走不寻常的路。(本文来源于《中国眼镜科技杂志》期刊2017年05期）
丁珏,李家骅,陈永杰,翁培奋[4]（2016）在《二次气溶胶成核、破碎及碰撞凝并过程的动力学及光学性质》一文中研究指出二次气溶胶形成、碰撞凝并及破碎是雾爆发性增强阶段离散相的主要动力学过程。文中基于颗粒群平衡方程和Mie理论,采取加权蒙特卡洛方法,自行开发了Fortran程序,数值研究了二次气溶胶的成核与长大;数值讨论雾爆发性增强阶段雾滴谱拓宽、能见度降低的机理,分析湍流输运和颗粒局部聚集效应下颗粒间的碰并过程,并耦合颗粒散射性质,数值分析雾发展中湍流耗散率对颗粒对径向相对速度、系统透过率的影响;以及颗粒对径向相对速度与系统透过率、颗粒尺度的关系。此外,对不同雾环境中的气溶胶的破碎效应和破碎机理进行分析,由于受湍流场脉动的影响,颗粒在破碎前均有较大的变形,颗粒破碎效果与初始颗粒尺度、湍流场中的涡结构,涡耗散率,表面张力系数等参数相关,本文定量描述子颗粒尺度随时间的分布演变过程,同时确定引起尺度分布变化的关键因素。(本文来源于《2016年全国环境力学学术研讨会摘要集》期刊2016-10-26）
刁文婷,何军,刘贝,王杰英,王军民[5]（2014）在《利用蓝失谐激光诱导微型光学偶极阱中冷原子间的光助碰撞提高单原子制备概率》一文中研究指出借助于微米尺度的远失谐光学偶极阱(FORT)中蓝失谐光的光助碰撞效应与反馈控制系统,文章在实验上实现了FORT中单个原子的高效制备.结合原子的势能曲线,分析了原子在红失谐光和蓝失谐光作用下的光助碰撞效应,并且在实验上得到红失谐光诱导下单原子的制备概率约50%,蓝失谐光诱导下单原子的制备概率约80%.通过反馈控制系统,当原子数目小于1时,反馈控制使磁场梯度减小以快速俘获原子,当原子数目大于1时,反馈控制开启蓝失谐光场,使得原子一个个逃逸出阱中,最终实现了FORT中单原子的制备概率约95%,为下一步偶极阱的二维扩展奠定了基础.通过HBT实验测量FORT中单原子发出光子的统计特性,得到二阶相干度g(2)(τ=0)=0.08.(本文来源于《物理学报》期刊2014年02期）
王远成[6]（2013）在《电子与分子碰撞过程的动量空间多通道光学势方法研究》一文中研究指出当前分子物理学的根本任务是了解电子与核在分子场中的联合运动等问题。这些运动的动力学过程是光谱学，物理变化以及分子体系化学反应过程的基础。研究这些动力学过程的方法之一就是对电子与分子的碰撞过程的研究。电子—分子碰撞过程的研究对于人们认识分子结构以及分子中电子的运动和关联效应有着非常重要的作用。过去几十年，许多的理论和实验工作者对这一问题进行了深入的研究，其中被广泛使用的理论方法有R矩阵方法，Schwinger变分法等。这些方法在低能和高能区域都取得了很好的结果。但是，由于缺少考虑连续通道极化作用影响，这些方法应用在中等能量范围时存在局限性。在九十年代中期，McCarthy与Rossi发展了动量空间光学势方法。该方法应用Feshbach投影算符将靶态空间分为P和Q两个子空间，其中P空间包含靶的基态，Q空间包含靶的剩余分立态和连续态。在P空间中求解Lippmann-Schwinger方程，Q空间的影响包含在复的等价局域的光学势中。但这种方法是一个单通道的方法，没有具体包含通道耦合的效应。本论文的工作改进了单通道的动量空间光学势理论方法，发展了一个包含通道耦合效应的分子动量空间多通道光学势方法。在原有理论方法的基础上考虑通道耦合效应的影响，并应用该方法研究了电子分子碰撞激发过程。我们选取了电子—一氧化碳分子和电子—氢分子两个系统进行研究。作为对单通道的动量空间光学势方法的检验，本论文应用该方法处理了低能电子碰撞一氧化碳分子的弹性散射问题。论文中首次使用单通道动量空间光学势方法计算了电子与具有弱极性的分子碰撞的弹性散射截面。在向前散射区域讨论了目前采用的转动平均的微分截面与转动求和的微分截面的差别。转动平均的微分截面要小于其它转动求和的截面。在2eV时转动平均的结果与实验符合得比其它理论结果更好，而在其它入射能量下，向前散射区域的部分角度的截面低于实验测量的结果。本论文发展了多通道耦合的分子动量空间多通道光学势方法对电子—分子碰撞的弹性散射和碰撞激发过程进行了研究。在动量空间的光学势方法的基础上考虑了通道间的耦合，并且改进的方法可以用于处理电子分子碰撞的激发过程。本论文计算了电子与氢分子碰撞的弹性微分散射截面和第一激发态的激发微分散射截面。加入的通道耦合作用的影响对大角度散射的弹性微分散射截面起到了明显的改进。并将改进的方法用于处理电子分子碰撞的激发过程，获得了较好的激发散射截面。虽然在计算中考虑了连续通道的极化影响，在激发过程中向前散射的微分截面与实验符合得很好，但在大角度散射区域各种理论结果及实验数据间依然存在差别，我们相信考虑更多分立通道的耦合会得到更好的计算结果。电子碰撞分子的电离过程在原子分子碰撞领域中具有重要学术价值和应用前景。对分子多中心问题的处理在理论上具有挑战性。叁重微分截面可以给出电子与分子碰撞单电离过程最详细的信息。文中采用两步电离的物理模型，第一步是电子与分子的弹性碰撞，第二步是单电离碰撞。论文中通过使用分子动量空间多通道光学势方法得到的散射矩阵元计算分子的畸变波波函数，再应用分子畸变波玻恩近似方法计算共面非对称条件下电子分子（e，2e）反应的叁重微分截面。计算结果与现有的实验和理论方法进行了对比研究，并通过对比之前的分子畸变波玻恩近似计算结果研究了多通道效应对于电子碰撞分子单电离过程的影响，即通道耦合的作用使得对撞峰的峰值增大。(本文来源于《哈尔滨工业大学》期刊2013-06-01）
马佳[7]（2010）在《正电子与激发态氢原子（2s）碰撞的耦合通道光学势方法的理论研究》一文中研究指出研究正电子与激发态原子的碰撞可以帮助我们深入认识原子内部结构,理解电子间关联效应,进一步解释物理学基本规律。而且,正电子与激发态原子的碰撞在应用领域有着重要的作用。氢原子作为最简单的原子,对它的研究是验证我们的理论方法正确与否最直接的手段。本论文使用动量空间耦合通道光学势方法(CCO),发展了一个等效局域近似的复的极化势来描述正负电子偶素形成通道和电离连续通道在散射过程中的效应,计算了入射能量在0-200eV的正电子与激发态氢原子(2s)散射过程中的正负电子偶素形成截面和电离阈值以上的电离截面,并通过选择2s-2s,2s-2p,2p-2p这叁个耦合项,把极化效应投影到了P空间,进一步计算了散射过程中的弹性截面,10eV能量下的2s-3s的激发微分截面以及总截面。由于没有相应的实验数据作比较,我们将我们的结果与已有的理论结果做了对比,并且与同样用CCO方法计算的正电子与基态氢原子的结果做了比较。(本文来源于《吉林大学》期刊2010-05-01）
吕磊,李琳,邓玉华,张岩文,戴康[8]（2009）在《Rb-He光学碰撞中精细结构分支比的测量》一文中研究指出脉冲激光激发Rb+He混合系统,激光频率(ν)调离Rb(5S1/2)→Rb(5PJ)共振频率(rνes)Δ(Δ=ν-rνes)。研究了光学碰撞Rb(5S1/2)+He+hν→Rb(5PJ)+He转移过程。激光激发RbHe分子态。RbHe激发态解离到5P1/2或5P3/2态,其布居数密度分别为n1和n2,定义分支比为n1/n2。为得到分支比,在-180cm-1<Δ<200 cm-1范围内测量了I(D1)(5P1/2→5S1/2)与I(D2)(5P3/2→5S1/2)的相对时间积分强度比R,解速率方程组,得到一个与气压成线性关系的直线方程,从该直线的截距及斜率得到5P1/2→5P3/2的碰撞转移截面及分支比,在D2线蓝翼,分支比随失谐量Δ的增加而增加到0.2。在D1线红翼分支比近似为40而与失谐量无关。从翼激发测量得的精细结构碰撞转移截面为(1.1±0.3)×10-17cm2,与从共振激发得到的截面值是一致的。测量结果表明,原子相互作用势和非绝热效应在分子解离动力学中起关键作用。(本文来源于《光谱学与光谱分析》期刊2009年07期）
焦利光[9]（2009）在《耦合通道光学势方法研究低能下电子同钠原子的碰撞》一文中研究指出低能电子同原子的相互作用,存在着一种重要的物理现象:共振,即入射电子和靶原子能够形成不稳定的准束缚态(quasi-bound states),其会在散射相移和散射截面上引起剧烈的变化。对共振现象的研究对理解多体体系的基本对称性和相互作用动力学等都起着非常重要的作用。1995年,Johnston and Burrow的电子跃迁光谱实验发现了在电离阈值以下电子碰撞碱金属原子中存在着一个复杂的共振序列(series resonance),并且在所有的碱金属之间能够形成一个“家族式”共振(family resemblance);但是到目前为止,还没有一个理论方法能够完整地预言低能情况下电子同碱金属原子碰撞所产生的共振序列,尤其是在接近电离阈值的区域。在本文工作中,我们首次将耦合通道光学势方法(CCO)应用于低能情况下的电子同钠原子的碰撞,计算了其电离阈值以下的总散射截面,并且从中得到了共振序列。从我们的计算结果可以看出,低激发态附近的几个共振与其他理论和实验结果都符合的非常好,我们在4.166、4.502和4.578 eV发现了叁个峰值,这叁个峰值能够确认Johnston and Burrow的实验结果,这是他们的实验结果在十多年后首次被我们的计算证实。此外我们还在1.80 eV预言了一个峰值,总散射截面与Rubin et al.的测量结果符合的非常好,由于其他理论和实验都没有得到这一峰值,其尚未被证明是由共振引起的,在将来的工作中,我们会对这一现象做进一步的研究。我们在5s激发阈值(4.128 eV)至电离阈值(5.14 eV)之间的能量范围内预言了许多新的共振,这些共振和低激发态附近的共振一起组成一个较为完整的共振序列。对电子碰撞钠原子共振序列的成功验证,使得我们相信CCO方法能够用来研究其他碱金属原子的共振序列,并且进一步地研究碱金属原子间的“家族式”共振。早在1966年Mittleman就指出,由于吸引的偶极势的存在,正电子与氢原子的碰撞同样能够产生共振。最近,CCO方法被成功地用于正电子同氢原子碰撞的共振研究,并且取得了很好的结果。钠原子由于其简单的类氢壳层结构为研究正电子同更复杂原子的共振现象奠定了基础。CCO方法在电子-钠原子体系和正电子-氢原子体系的共振研究上的成功,使得我们能够应用此方法来研究正电子-钠原子的共振现象。我们计算了10 eV以下的正电子同钠原子的总散射截面并与已知的理论和实验数据进行了比较,取得了很好的结果。迄今为止只有少数的理论方法被用来研究钠原子的前几个分波的共振,他们的计算结果集中在2 - 4 eV,而我们的计算也在这一区域显示出明显的共振现象。具体的分波共振在进一步的计算中。(本文来源于《吉林大学》期刊2009-05-01）
刘芳[10]（2008）在《耦合通道光学势方法研究正电子与锂原子碰撞的共振现象》一文中研究指出20世纪30年代,Dirac在理论上预言正电子的存在,Anderson在实验上探测到正电子,成为20世纪物理学最惊人的发现之一。自此,正电子物理一直是物理学家感兴趣的课题,特别是,20世纪80年代,由于强正电子束的出现,使正电子物理成为近二十年最活跃的一个研究领域。正电子是电子的反粒子,正电子同原子分子的碰撞是反物质同普通物质的相互作用,为我们更好的了解原子内部的电子结构和相互作用以及碰撞的准确物理机制提供了重要的手段。在实验方面,尽管相应的实验技术正在逐渐发展,但是由于正电子与原子碰撞过程比较复杂,对实验条件要求非常高,所以目前仅有少量关于碰撞截面的实验数据,这使得对正电子与与原子碰撞的研究更加依赖于理论。在理论方面,过去的十年里,对正电子与原子的碰撞的研究上取得了相当大的进步。在正电子碰撞的理论研究中,人们往往首先从单电子原子入手,即氢原子和冻结核近似下的碱金属原子。研究过程中把碱金属原子看作一个最外层电子围绕包括内层电子在内的冻结核做运动的单电子体系。目前,变分法成功地处理了低能下的正电子与简单原子碰撞问题。畸变波玻恩近似方法(DWBA)对正电子与原子分子碰撞问题的研究主要集中在高能区域,早期的密耦法(close-coupling)经过理论工作者的不断发展被应用于中等能量范围内的正电子与原子碰撞问题,其中收敛的密耦方法(CCC)和动量空间耦合通道光学势方法(CCO)在近几年的理论工作中取得了一定的成功。在本论文中,我们运用动量空间耦合通道光学势方法(CCO)研究了正电子与锂原子在低能(1.45-4.5eV)情况下散射过程中的共振现象。动量空间耦合通道光学势方法是基于周雅君所发展的正电子同氢原子碰撞的耦合通道光学势方法,将耙空间的组态空间分成互补的P和Q两个空间。我们在P空间解耦合积分方程,发展了一个Q空间的复的等价局部的光学势来描述,部分分立态,碰撞过程中电离以及正负电子耦素形成。应用这种方法我们计算了正电子与锂原子碰撞的总散射截面以及L=0-10的十一个分波散射截面,并给出了共振的位置和形状,并对共振形成的原因做了简单的分析。(本文来源于《哈尔滨工业大学》期刊2008-07-01）
光学碰撞论文开题报告
（1）论文研究背景及目的
此处内容要求：
首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景，再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题，并提出你的论文准备的观点或解决方法。
写法范例：
许多纳米材料具有优异的电化学性能,因此在电催化、电化学传感、电化学能源等各个领域得到广泛应用。传统纳米电化学研究的对象,往往是包含有数百万乃至数亿纳米颗粒的宏观电极界面,研究结果反映的是体系中所有纳米颗粒的整体平均性能。但是由于纳米颗粒在结构和活性上均具有内在的、显着的个体差异性,这种平均效应就会模糊纳米材料结构和功能之间的关系,不利于界面电子转移规律和机理的阐明及其性能的提升。近十余年来,随着电分析化学和微纳加工技术的发展,在纳米电化学领域出现了一种基于单个电活性纳米颗粒与惰性电极界面随机碰撞的新颖研究方法,简称为单颗粒碰撞技术。该技术运用计时电流法检测纳米颗粒随机碰撞到超微电极表面后产生的瞬时电流。通过对电流信号进行分析,能够进行单个纳米颗粒的性质研究。尽管该技术可以获得单个纳米颗粒的直接电化学或电催化电流,但仍然存在诸多亟待解决的瓶颈问题。第一,传统的单颗粒碰撞技术缺乏空间分辨率,虽然能够利用统计学原理“确信”某一电流峰来自于单个纳米颗粒,但是无法将其归属于某个具体的纳米颗粒,也无法对该纳米颗粒进行识别和表征。因此,在结构—活性关系中仅能获得活性信息,结构信息则完全丢失。第二,尽管统计学理论确认绝大多数的电学信号来自于单个纳米颗粒的碰撞,但对于偶然出现的异乎寻常的电流信号,无法确认其对应于某一个性能特别优异的单颗粒,亦或是由多个纳米颗粒同时撞击电极表面引起的。与此同时,许多不同种类的光学显微成像技术已经充分具备了开展单颗粒光学成像所需的灵敏度和分辨率。基于以上认识,本论文将表面等离激元共振显微镜(Surface Plasmon Resonance Microscopy,SPRM)这一新兴光学显微成像技术引入单颗粒碰撞电化学的研究中,结合光学显微镜的高空间分辨率与电化学测量技术的高灵敏度开展单颗粒电化学反应动力学研究,致力于阐明微纳尺度的电子转移行为和规律,为单颗粒水平的电活性材料结构一活性关系提供理论基础和技术支撑。本论文的主要内容包括:1.表面等离激元共振显微镜和电化学仪器的同步装置搭建为了弥补单颗粒碰撞技术空间信息缺失的不足,本工作搭建了 SPRM和电化学仪器的同步装置。在课题组前期的研究中,没有将SPRM和单颗粒碰撞技术联用的原因是电极背景电流过大,导致了无法直接检测到单个纳米颗粒的电化学信号。因此,本工作在技术和数据处理上做了叁点努力。第一,通过微纳加工技术制成了透光的微电极以达到降低背景电流的目的,同时保证了所有电子转移都发生在光学视野内,有利于光学图像和电学信号的同步分析。第二,采用微电流放大器作为电化学系统以满足单颗粒碰撞引起的pA级电流信号检测的需要,使用数据采集卡连接光学显微镜和电化学仪器实现了光学和电化学记录的同步。第叁,自行编写了基于Matlab软件的数据分析代码,设计了图形用户界面批量处理实验数据,快速提取了纳米颗粒碰撞时刻的光学和电化学信号。2.同时检测单纳米颗粒的光学和电化学信号本章工作以银纳米颗粒的溶出电化学过程为研究对象,同时检测了单个银纳米颗粒碰撞—溶出过程的光学和电化学信号,检验了光学和电化学同步装置的可行性。其中光学信号提供了颗粒大小和位置的信息,电化学信号反映了颗粒的活性,为在单纳米颗粒水平上开展结构—活性关系研究建立了新方法。在此基础上,进一步利用单个银纳米颗粒的体积与光学信号强度之间的定量关系,根据光学信号计算了单个银纳米颗粒的电子转移速率。结果表明,利用光学—电化学信号转换模型计算得到的“光学”电流与直接记录到的电化学电流相一致。这一工作首次对光学—电化学信号转换模型的可靠性进行了直接、定量地验证。3.单个银纳米颗粒碰撞过程的多重峰行为研究在较低的时间分辨率下,银纳米颗粒的电化学溶出过程表现为一个连续的电子转移过程。进一步研究发现,当电化学记录的时间分辨率提高到微秒水平时,单颗粒碰撞的电极电流不再连续,而是呈现为多个彼此分隔的电流峰。多个纳米电化学研究小组均报道了这一“多重峰”现象,并将其归因于由静电排斥或布朗运动引起的纳米颗粒与电极之间的物理分离过程,但缺乏直接证据。由于SPRM能够对银纳米颗粒与电极界面之间的距离进行高灵敏度测量,本章工作相应提高了 SPRM的成像时间分辨率,实现了单个银纳米颗粒碰撞和电化学溶出过程中叁维运动轨迹的快速、高灵敏度示踪。同时记录光学和电化学信号可以将纳米颗粒的物理运动(光学信号)和电子转移过程(电化学信号)关联起来。光学成像结果显示,多重电流峰并不必然伴随单颗粒空间位置的变化。即使在没有发生电子转移的间歇期,纳米颗粒仍与电极保持表观的物理接触。这表明,单个纳米颗粒与电极界面电学接触在纳米乃至原子尺度上的动态特性,而非简单的单颗粒空间迁移,可能是电化学电流多重峰现象的原因。4.单个钴酸锂纳米颗粒碰撞和脱锂过程的研究除了银纳米颗粒的直接电化学溶出反应以外,进一步探索了此项技术在其它电活性纳米材料中的应用。钴酸锂(LiCoO2)不仅是研究离子嵌入型电化学反应的经典模型材料,同时也是商用锂离子电池中最成功的正极材料之一,具有重要的实际意义。课题组前期研究发现,LiCoO2纳米材料的介电常数在电化学氧化—还原的循环过程中表现出可逆的细微变化。本研究进一步开展了单个LiCoO2纳米颗粒碰撞过程的SPRM成像研究。其中,电化学信号提供了单个LiCoO2颗粒在电极上碰撞时的电子转移速率和数量信息。SPRM记录了同一颗粒的大小和碰撞位置,以便与扫描电子显微镜相结合进行形态学表征。这一工作首次将单个锂离子储能材料的电化学活性与形态相关联,这不仅使单颗粒碰撞技术用于研究不同类型的电池材料,也为建立锂离子储能纳米材料的结构—活性关系奠定了基础,有望用于改善和提升锂离子电池性能。5.单个普鲁士蓝纳米颗粒碰撞过程的电子转移由于在水性和有机电解质中具有良好的电化学循环寿命和速率性能,普鲁士蓝近年来成为一种广受关注的钾/钠离子电池正极材料。本工作结合SPRM和单颗粒碰撞技术同时监测了单个普鲁士蓝纳米颗粒碰撞和插钾过程的电子转移。光学成像结果表明,当单个普鲁士蓝纳米颗粒与微电极碰撞后,先在电极表面停留一段时间再发生SPRM的强度变化。通过比较纳米颗粒SPRM强度变化的时刻和电子转移过程发生的时刻,发现了这两个过程在单颗粒水平上的不同步性。本论文将SPRM与单颗粒碰撞技术联用,搭建了SPRM和电化学仪器的同步装置,实现了单纳米颗粒电化学反应过程的光学和电化学信号同时记录。首次直接、定量地验证了光学—电化学信号转换模型的可靠性。通过提高光学和电化学记录的时间分辨率,进一步揭示了电化学电流多重峰现象。本论文不仅研究了基础电化学反应过程,还将此项技术扩展到储能材料体系,首次将单个锂离子储能材料的活性与形态相关联。未来,需要做更多努力来提高光学记录的时间和空间分辨率,研究更快的电子转移过程,进一步揭示微纳尺度的电子转移机理。还可以将此项技术拓展到生物领域,比如研究单个细胞器(线粒体、叶绿体等)代谢反应的动力学。
（2）本文研究方法
调查法：该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。
观察法：用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。
实验法：通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。
文献研究法：通过调查文献来获得资料，从而全面的、正确的了解掌握研究方法。
实证研究法：依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。
定性分析法：对研究对象进行“质”的方面的研究，这个方法需要计算的数据较少。
定量分析法：通过具体的数字，使人们对研究对象的认识进一步精确化。
跨学科研究法：运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。
功能分析法：这是社会科学用来分析社会现象的一种方法，从某一功能出发研究多个方面的影响。
模拟法：通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。
光学碰撞论文参考文献
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