التوليف، وتوصيف، وFunctionalization الهجين الاتحاد الافريقي / أقراص مدمجة والاتحاد الافريقي / ZnS الأساسية / شل النانوية
Summary
The synthesis of uniform gold nanoparticles coated with semiconductor shells of CdS or ZnS is performed. The semiconductor coating is conducted by first depositing a silver sulfide shell and exchanging the silver cations for zinc or cadmium cations.
Abstract
النانوية Plasmonic هي مادة جذابة للتطبيقات الحصاد الخفيفة بسبب من سطح تعديلها بسهولة، مساحة عالية ومعامل الانقراض الكبيرة التي يمكن ضبطها عبر الطيف المرئي. كما أن البحوث في تعزيز plasmonic من التحولات البصرية شعبية، نظرا لإمكانية تغيير، وفي بعض الحالات تحسين الصور امتصاص أو انبعاث خصائص حاملات القريبة مثل الأصباغ الجزيئية أو النقاط الكمومية. المجال الكهربائي من العلبة زوجين مأكل مع ثنائي القطب الإثارة من حامل اللون، إقلاق دول الإلكترونية تشارك في العملية الانتقالية ويؤدي إلى زيادة معدلات الامتصاص والانبعاث. ويمكن أيضا أن تبطل هذه التحسينات على مسافات قريبة من آلية نقل الطاقة، مما يجعل الترتيب المكاني اثنين من الأنواع الهامة. في نهاية المطاف، يمكن تعزيز كفاءة الحصاد ضوء في الخلايا الشمسية plasmonic يؤدي إلى أرق، وبالتالي أجهزة أقل تكلفة. وdevelopmوالأنف والحنجرة من الجسيمات الأساسية / قذيفة الهجينة يمكن أن يقدم حلا لهذه المسألة. إضافة فاصل عازل بين جزيئات الذهب وحامل اللون هي الطريقة المقترحة للسيطرة على الأكسيتون قوة مأكل اقتران وبالتالي موازنة الخسائر مع المكاسب plasmonic. إجراء مفصل لطلاء الذهب النانوية مع الأقراص المدمجة وقذائف أشباه الموصلات ZnS يرد. تظهر النانوية التوحيد عالية مع التحكم في حجم كل من جزيئات الذهب الأساسية والأنواع قذيفة السماح لإجراء تحقيق أكثر دقة في تعزيز plasmonic من حاملات الخارجية.
Introduction
الذهب والفضة النانوية لها القدرة على التقدم التكنولوجي في المستقبل في مجموعة متنوعة من التطبيقات بما في ذلك الضوئيات (1)، والخلايا الكهروضوئية، 2 الحفز، 3 الكيميائية / الاستشعار البيولوجي، 4 التصوير البيولوجي و 5 و العلاج الضوئي. 6 تحت الإثارة مرئية، يمكن للإلكترونات سطح التأرجح ل تشكيل الرنين المعروفة باسم المترجمة بالرنين مأكل مثل الطحين السطحية (SPR)، والتي يمكن استخدامها لتركيز الإشعاع الحادث في الطيف المرئي. مؤخرا، تم الجمع بين المعادن النانوية النبيلة مع أشباه الموصلات أو المغناطيسية النانوية لإنتاج الجسيمات النانوية الهجينة مع تعزيز والانضباطي وظيفة. 7،8 الأدبيات الحديثة، مثل الدراسة التي أجرتها اويانغ وآخرون. 9 أو تشن وآخرون. 10، أظهرت إمكانية لتركيب هذه الجزيئات، ولكن سيطرة محدودة فقط في التوحيد من الأنواع الهجينة ممكنة نظرا لتوزيع أحجام جسيمات متناهية الصغر من الذهب وتفاقمت بسبب عدم وجود توصيف البصرية إلى جانب الخصائص الفيزيائية في كل مرحلة من مراحل النمو. أظهرت Zamkov آخرون التوحيد مماثل في تشكيل قذيفة ولكن تم استخدام واحد سمك قذيفة فقط مع أحجام الأساسية المختلفة، مع بعض القذائف لم يتم تشكيلها بالكامل حول الجسيمات النانوية. من أجل الاستفادة بشكل فعال هذه الجسيمات النانوية، واستجابة بصرية دقيقة يجب أن يكون معروفا وتتميز لمجموعة متنوعة من سمك قذيفة. أعلى دقة في سمك القشرة ويمكن تحقيق ذلك من خلال استخدام جزيئات الذهب monodisperse، المائية كقالب، مما أدى إلى سيطرة أكبر على الأنواع الهجينة النهائية. التفاعل بين جوهر وقذيفة قد تظهر تعزيز محدود في معدلات امتصاص أو انبعاث نظرا لكمية صغيرة من مادة شبه موصلة وقربها من جوهر الذهب. بدلا من التفاعل بين أشباه الموصلات وجدت في وعاء والجسيمات الذهب، قد تكون قذيفة استخدامد كفاصل للحد من المسافة بين حامل اللون الخارجي. 11 وهذا سيسمح للسيطرة على ارتفاع خلال فصل المكاني بين حين مأكل، يلغي عواقب اتصال مباشر مع سطح المعدن.
مدى التفاعل الالكتروني بين الرنين مأكل السطح والأكسيتون المنتجة في حامل اللون، ويرتبط مباشرة لبعد المسافة بين الأنواع المعدنية وأشباه الموصلات، والبيئة السطحية وقوة التفاعل. 12 عندما يتم فصل الأنواع من مسافات أكبر من 25 نانومتر، لا تزال الدول الإلكترونية اثنين رابط الجأش ويبقى استجابة البصرية دون تغيير. 13 نظام الترابط القوي هو المهيمن عندما تكون الجزيئات أكثر قربا ويمكن أن يؤدي إلى إخماد أي طاقة الإثارة عن طريق تعزيز معدل nonradiative أو نقل فورستر الرنين الطاقة ( الحنق). 14،15 التلاعب في قوة اقتران، من خلال ال ضبطالبريد التباعد بين حامل اللون والمعادن جسيمات متناهية الصغر، يمكن أن يؤدي إلى آثار إيجابية كذلك. معامل جسيمات متناهية الصغر الانقراض يمكن أن تكون أوامر من حجم أكبر من معظم حاملات، والسماح للالنانوية على التركيز على ضوء الحادث بشكل أكثر فعالية. يمكن الاستفادة من زيادة الكفاءة الإثارة من جسيمات متناهية الصغر يؤدي إلى ارتفاع معدلات الإثارة في حامل اللون. 12 اقتران من ثنائي القطب الإثارة ويمكن أيضا زيادة معدل انبعاث حامل اللون الذي يمكن أن يؤدي إلى زيادة في الغلة الكم إذا كانت معدلات nonradiative تتأثر. 12 هؤلاء آثار يمكن أن يؤدي إلى الخلايا الشمسية أو الأفلام مع زيادة الامتصاصية، والكفاءة الضوئية، وبتسهيل من المقطع العرضي زيادة امتصاص الذهب وسهولة استخراج تهمة من طبقة أشباه الموصلات بسبب وجود دول سطح المترجمة. 12،16 هذا والدراسة أيضا أن توفر معلومات مفيدة عن قوة اقتران من مأكل كما بالعربيةمرهم من مسافة بعيدة.
وعلى نطاق واسع استخدمت البلازمونات السطحية المحلية في الاستشعار عن بعد 17 والكشف عن 18 طلبا نظرا لحساسية صدى مأكل مع البيئة المحلية. كرونين وآخرون، أظهرت كفاءة الحفاز تيو 2 أفلام يمكن تحسينها مع إضافة جزيئات الذهب. وأظهرت التحليلات أن هذه الزيادة في النشاط ومن المقرر أن اقتران المجال الكهربائي مأكل مع excitons إنشاؤها في تيو 2، مما يزيد في وقت لاحق معدلات توليد الأكسيتون 19 Schmuttenmaer وآخرون، أظهرت أن كفاءة صبغ توعية (DSSC) الخلايا الشمسية يمكن تحسينها مع إدراج المجاميع الاتحاد الافريقي / شافي 2/2 تيو. المجاميع تعزيز امتصاص من خلال إنشاء وسائط مأكل سطح محلية واسعة والتي تزيد من امتصاص البصرية على نطاق أوسع من الترددات. (20) وفي غيره من المنشورات لي وآخرون مراقبةوقد لوحظ انخفاض كبير في اليوم في عمر مضان، وكذلك المسافة تعتمد في تعزيز مطردة كثافة مضان الدولة من خلال اقتران مباشر من سيلينيد الكادميوم واحد / ZnS الكم نقطة وجسيمات متناهية الصغر من الذهب واحدة. 21 من أجل الاستفادة الكاملة من هذا التعزيز plasmonic، هناك الحاجة إلى اقتران البدني مع تحديد المسافات بين النوعين.
توليف النانوية الهجينة
Jiatiao وآخرون، وصفت طريقة لمعطف المواد أشباه الموصلات على جزيئات الذهب عن طريق تبادل الموجبة من أجل إنتاج سمك قذيفة موحدة والانضباطي. وكانت قذائف موحدة في السمك، ولكن كانت قوالب الذهب لا monodisperse جدا. وهذا يغير من أشباه الموصلات إلى نسبة الذهب من الجسيمات إلى الجسيمات، وبالتالي فإن قوة اقتران. وقد أجريت الدراسة 9 متعمق على الخصائص البصرية من هذه الجسيمات النانوية الأساسية قذيفة، من أجل تطوير reprodطريقة الاصطناعية ucible. الطرق السابقة تعتمد على تخليق جسيمات متناهية الصغر القائمة على العضوية، والتي يمكن أن تنتج العينات مع الرنين مأكل واسعة بسبب عدم التجانس في حجم الذهب جسيمات متناهية الصغر. تجميع مائي معدلة من جزيئات الذهب يمكن أن توفر قالب الذهب جسيمات متناهية الصغر استنساخه وmonodisperse مع الاستقرار لفترات طويلة من الزمن. بالسطح سيتيل كلوريد ثلاثي الأمونيوم مائي يشكل طبقة مزدوجة على سطح جسيمات متناهية الصغر نظرا للتفاعل بين سلاسل الكربون طويلة من جزيئات كلوريد الأمونيوم سيتيل ثلاثي المجاورة. 22 هذه الطبقة السطحية سميكة تتطلب غسل حريصا على إزالة التوتر السطحي الزائدة والسماح بالوصول إلى سطح جسيمات متناهية الصغر ، ولكن يمكن أن توفر السيطرة العليا على حجم جسيمات متناهية الصغر والشكل. 23 يمكن التحكم بالإضافة المائية من قذيفة الفضة مع دقة عالية مما يؤدي إلى وجود علاقة أكثر حميمية بين سمك قذيفة والخصائص البصرية. 23 وأبطأ تخفيض عبر ميلان الاسكوربيكويستخدم معرف لإيداع الفضة على سطح الذهب، الأمر الذي يتطلب إضافة الملح الفضة أن تكون دقيقة جدا للحيلولة دون تشكيل الفضة النانوية في الحل. تتطلب الخطوة الثالثة فائض كبير من الكبريت التي يمكن ان تضاف الى مرحلة العضوية، ويجب أن يحدث نقل مرحلة من الجسيمات النانوية المائية. مع إضافة oleylamine كوكيل السد العضوية وحمض الأوليك، والتي قد تكون بمثابة كلا من وكيل السد والمساعدة في نقل مرحلة من الجسيمات النانوية، موحدة، والفضة غير متبلور كبريتيد قذيفة يمكن أن تتشكل حول الجسيمات النانوية. 9،24 تركيز يجب أن تكون هذه الجزيئات عالية بما فيه الكفاية لمنع تجميع الجسيمات النانوية في هذه الخطوة، ولكن الكثير من فائض يمكن أن تجعل من الصعب تنقية. في ظل وجود الفوسفين بوتيل ثلاثي ونترات معدن (الكادميوم، الزنك أو الرصاص)، تبادل الموجبة داخل قذيفة كبريتيد غير متبلور ويمكن إجراء. يجب أن يتم تعديل درجة حرارة التفاعل لينشط مختلفة من المعادن 9وأي الكبريت الزائد يجب القضاء للحد من تشكيل نقاط الكم الفردية. كل خطوة من التوليف يتوافق مع تغيير في بيئة سطح جسيمات متناهية الصغر، وبالتالي تغيير في مأكل ينبغي مراعاتها نظرا لاعتماد تردد مأكل على المحيطة المجال عازلة. تم استخدام دراسة موازية لامتصاص البصرية بوصفها وظيفة من نقل المجهر الإلكتروني (تيم) توصيف لتوصيف الجسيمات النانوية. وهذا الإجراء الاصطناعية توفر لنا العينات التي تسيطر عليها بشكل جيد وموحدة، وتوفير ارتباط أفضل من بيانات الفحص المجهري والتحليل الطيفي.
اقتران مع Fluorophores
يمكن تطبيق طبقة عازلة تباعد بين سطح معدني plasmonic وfluorophore تساعد على تقليل الخسائر الناجمة عن نقل الطاقة nonradiative من excitons تم إنشاؤها على شراء المعدن. يمكن هذه الطبقة التباعد أيضا تساعد في دراسة الاعتماد المسافة بين fluorophore وصدى مأكل على سطح المعدن. نقترح باستخدام قذيفة أشباه الموصلات النانوية الهجينة لدينا طبقة عازلة التباعد. سمك قذيفة يمكن ضبطها مع نانومتر الدقة مع سمك تتراوح من 2 نانومتر إلى 20 نانومتر السماح التجارب علاقة المسافة الدقيقة التي ستجرى. ويمكن أيضا أن قذيفة ضبطها مع الكادميوم، الرصاص أو الزنك الكاتيونات وS، SE و الأنيونات تي، والسماح للسيطرة على ليس فقط المسافة ولكن أيضا في ثابت العزل الكهربائي، ترتيب الفرقة الإلكترونية وحتى المعلمات شعرية الكريستال.
Protocol
Representative Results
Discussion
جزيئات الذهب
من أجل ضمان جودة عالية النانوية قذيفة الأساسية، يجب أولا توليفها عينة monodisperse من جزيئات الذهب كقالب. 28،29،30 نحن تعديل التوليف الذهب جسيمات متناهية الصغر لإنتاج سلسلة طويلة العالي النانوية توج الأمينات بدلا من ت…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وتستند هذه المواد على العمل بدعم من مؤسسة العلوم الوطنية تحت سويسرا – 1352507.
Materials
| MilliQ Water | Millipore | Millipore water purification system | water with 18 mega ohm resistivity was utilized in all experiments |
| Gold (II) chloride trihydrate | Sigma Aldrich | 520918 | used as gold precursor for nanoparticle synthesis |
| Cetyl trimethyl ammonium chloride(CTAC) | TCI America | H0082 | used as surfactant for gold nanoparticles |
| Borane tert butyl amine | Sigma Aldrich | 180211 | used as reducing agent for gold nanoparticles |
| Silver nitrate | Sigma Aldrich | 204390 | used as silver source for shell application |
| Ascorbic acid | Sigma Aldrich | A0278 | used as reducing agent for silver shell application |
| Sulfur powder | Acros | 199930500 | used as sulfur source for silver sulfide shell conversion |
| Oleylamine | Sigma Aldrich | O7805 | used as surfactant for silver sulfide shell conversion |
| Oleylamine | Sigma Aldrich | 364525 | used as surfactant for silver sulfide shell conversion |
| cadmium nitrate tetrahydrate | Sigma Aldrich | 642405 | used as cadmium source for cation exchange |
| zinc nitrate hexahydrate | Fisher Scientific | Z45 | used as zinc source for cation exchange |
| 11-Mercaptoundecanoic acid | Sigma Aldrich | 450561 | used as water soluable ligand during ligand exchange |
| 3,4 diaminobenzoic acid | Sigma Aldrich | D12600 | used as water soluable ligand during ligand exchange |
| UV-Vis absorption spectrophotometer | Cary | 50 Bio | used to monitor absorption spectrum of colloidal solutions |
| JEOL TEM 2100 | JEOL | 2100 | used to analyze size of synthesized nanoparticles. TEM grids were purchased from tedpella |
| FTIR spectrophotometer | Perkin Elmer | Spec 100 | used to monitor chemical compostion of nanoparticle surface after ligand exchange. |
References
- Pyayt, A. L., Wiley, B., Xia, Y., Chen, A., Dalton, L. Integration of photonic and silver nanowire plasmonic waveguides. Nature nanotechology. 3, 660-665 (2008).
- Chuang, M. -. K., Lin, S. -. W., Chen, F. -. C., Chu, C. -. W., Hsu, C. -. S. Gold nanoparticle-decorated graphene oxides for plasmonic-enhanced polymer photovoltaic devices. Nanoscale. 6, 1573-1579 (2014).
- Ide, M. S., Davis, R. J. The Important Role of Hydroxyl on Oxidation Catalysis by Gold Nanoparticles. Accounts of chemical research. , (2013).
- Saha, K., Agasti, S. S., Kim, C., Li, X., Rotello, V. M. Gold Nanoparticles in Chemical and Biological Sensing. Chemical Reviews. 112, 2739-2779 (2012).
- Wang, H., et al. Computed tomography imaging of cancer cells using acetylated dendrimer-entrapped gold nanoparticles. Biomaterials. 32, 2979-2988 (2011).
- Huang, X., Jain, P. K., El-Sayed, I. H., El-Sayed, M. A. Plasmonic photothermal therapy (PPTT) using gold nanoparticles. Lasers in medical science. 23, 217-228 (2008).
- Costi, R., Saunders, A. E., Banin, U. Colloidal hybrid nanostructures: a new type of functional materials. Angewandte Chemie International Edition. 49, 4878-4897 (2010).
- Xu, X., et al. Near-Field Enhanced Plasmonic-Magnetic Bifunctional Nanotubes for Single Cell Bioanalysis. Advanced Functional Materials. 23, 4332-4338 (2013).
- Zhang, J., Tang, Y., Lee, K., Ouyang, M. Nonepitaxial growth of hybrid core-shell nanostructures with large lattice mismatches. Science. 327, 1634-1638 (2010).
- Sun, H., et al. Investigating the Multiple Roles of Polyvinylpyrrolidone for a General Methodology of Oxide Encapsulation. Journal of the American Chemical Society. 135, 9099-9110 (2013).
- Khatua, S., et al. Resonant Plasmonic Enhancement of Single-Molecule Fluorescence by Individual Gold Nanorods. ACS Nano. 8, 4440-4449 (2014).
- Lakowicz, J. R., et al. Plasmon-controlled fluorescence: a new paradigm in fluorescence spectroscopy. Analyst. 133, 1308-1346 (2008).
- Tam, F., Goodrich, G. P., Johnson, B. R., Halas, N. J. Plasmonic enhancement of molecular fluorescence. Nano Letters. 7, 496-501 (2007).
- Achermann, M. Exciton-Plasmon Interactions in Metal-Semiconductor Nanostructures. The Journal of Physical Chemistry Letters. 1, 2837-2843 (2010).
- Zhang, X., et al. Experimental and Theoretical Investigation of the Distance Dependence of Localized Surface Plasmon Coupled Förster Resonance Energy Transfer. ACS Nano. 8, 1273-1283 (2014).
- Kamat, P. V. Quantum Dot Solar Cells. Semiconductor Nanocrystals as Light Harvesters. The Journal of Physical Chemistry C. 112, 18737-18753 (2008).
- Nagraj, N., et al. Selective sensing of vapors of similar dielectric constants using peptide-capped gold nanoparticles on individual multivariable transducers. Analyst. 138, 4334-4339 (2013).
- Nossier, A. I., Eissa, S., Ismail, M. F., Hamdy, M. A., Azzazy, H. M. E. -. S. Direct detection of hyaluronidase in urine using cationic gold nanoparticles: A potential diagnostic test for bladder cancer. Biosensors and Bioelectronics. 54, 7-14 (2014).
- Hou, W., Liu, Z., Pavaskar, P., Hung, W. H., Cronin, S. B. Plasmonic enhancement of photocatalytic decomposition of methyl orange under visible light. Journal of Catalysis. 277, 149-153 (2011).
- Sheehan, S. W., Noh, H., Brudvig, G. W., Cao, H., Schmuttenmaer, C. A. Plasmonic enhancement of dye-sensitized solar cells using core-shell-shell nanostructures. The Journal of Physical Chemistry C. 117, 927-934 (2013).
- Ratchford, D., Shafiei, F., Kim, S., Gray, S. K., Li, X. Manipulating Coupling between a Single Semiconductor Quantum Dot and Single Gold Nanoparticle. Nano Letters. 11, 1049-1054 (2011).
- Sau, T. K., Murphy, C. J. Self-Assembly Patterns Formed upon Solvent Evaporation of Aqueous Cetyltrimethylammonium Bromide-Coated Gold Nanoparticles of Various Shapes. Langmuir. 21, 2923-2929 (2005).
- Ma, Y., et al. Au@Ag Core-Shell Nanocubes with Finely Tuned and Well-Controlled Sizes, Shell Thicknesses, and Optical Properties. ACS Nano. 4, 6725-6734 (2010).
- Park, G., Lee, C., Seo, D., Song, H. Full-Color Tuning of Surface Plasmon Resonance by Compositional Variation of Au@Ag Core-Shell Nanocubes with Sulfides. Langmuir. 28, 9003-9009 (2012).
- Germain, V., Li, J., Ingert, D., Wang, Z. L., Pileni, M. P. Stacking Faults in Formation of Silver Nanodisks. The Journal of Physical Chemistry B. 107, 8717-8720 (2003).
- Reiss, P., Protière, M., Li, L. Core/Shell Semiconductor Nanocrystals. Small. 5, 154-168 (2009).
- Vossmeyer, T., et al. CdS nanoclusters: synthesis, characterization, size dependent oscillator strength, temperature shift of the excitonic transition energy, and reversible absorbance shift. The Journal of Physical Chemistry. 98, 7665-7673 (1994).
- Shore, M. S., Wang, J., Johnston-Peck, A. C., Oldenburg, A. L., Tracy, J. B. Synthesis of Au (Core)/Ag (Shell) nanoparticles and their conversion to AuAg alloy nanoparticles. Small. 7, 230-234 (2011).
- Liu, X., Atwater, M., Wang, J., Huo, Q. Extinction coefficient of gold nanoparticles with different sizes and different capping ligands. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 58, 3-7 (2007).
- Lambright, S., et al. Enhanced Lifetime of Excitons in Nonepitaxial Au/CdS Core/Shell Nanocrystals. ACS Nano. 8, 352-361 (2014).
- Srnová-Šloufová, I., Lednický, F., Gemperle, A., Gemperlová, J. Core-shell (Ag) Au bimetallic nanoparticles: analysis of transmission electron microscopy images. Langmuir. 16, 9928-9935 (2000).
