الغروية توليف Nanopatch هوائيات للتطبيقات في Plasmonics وبصريات النانو
Summary
ويرد بروتوكول لتركيب الغروية من nanocubes الفضة وتصنيع هوائيات النانو التصحيح plasmonic مع الفرعي 10 نانومتر الثغرات.
Abstract
نقدم طريقة لتخليق الغروية من nanocubes الفضة واستخدام هذه جنبا إلى جنب مع فيلم الذهب على نحو سلس، لافتعال الهوائيات النانوية التصحيح plasmonic. وهذا يشمل إجراءات مفصلة لتصنيع أغشية رقيقة بسمك تسيطر جيدا على المناطق التي ترى بالعين المجردة باستخدام طبقة تلو طبقة ترسب البوليمرات متضاعف الكتروليتي، وهي بولي (آليلامين) هيدروكلوريد (الهيئة العامة للإسكان) وسلفونات البوليسترين (PSS). هذه الطبقات متضاعف الكتروليتي هل بمثابة فجوة عازلة بين nanocubes الفضة والذهب فيلم. عن طريق التحكم في حجم nanocubes أو سمك الفجوة، صدى مأكل يمكن ضبطها من نحو 500 نانومتر إلى 700 نانومتر. المقبل، ونحن لشرح كيفية دمج العضوية-سلفو cyanine5 حمض الكربوكسيلية (Cy5) جزيئات الصبغة في المنطقة الفجوة البوليمر عازلة للهوائيات nanopatch. وأخيرا، وتبين لنا تتعزز بشكل كبير مضان من الأصباغ Cy5 عن طريق مطابقة طيفيا صدى مأكل مع طاقة الإثارة ورانه Cy5 ذروة الامتصاص. الطريقة المعروضة هنا يمكن تصنيع هوائيات nanopatch plasmonic مع الأبعاد التي تسيطر عليها بشكل جيد باستخدام التوليف الغروية وعملية تراجع طلاء طبقة تلو طبقة مع احتمال لانخفاض التكلفة والإنتاج على نطاق واسع. هذه الهوائيات nanopatch على وعود كبيرة للتطبيقات العملية، على سبيل المثال في الاستشعار عن بعد، الأجهزة البصرية الالكترونية فائق السرعة وأجهزة الاستشعار البصرية ذات الكفاءة العالية.
Introduction
في السنوات الأخيرة، والتوليف الغروية الجسيمات النانوية وتجميع هذه في الهياكل متقدمة جذبت مصالح كبيرة سواء في مجال البحوث والتطورات الصناعية. 1-4 التوليف صمغي الجسيمات النانوية لديها العديد من المزايا النانو ملفقة lithographically بما في ذلك تجانس حجم متفوقة، وانخفاض التكلفة و إمكانية واسعة النطاق، إنتاج مواز.
النانوية المعدنية مثل الفضة (حج) والذهب (الاتحاد الافريقي) يمكن أن تدعم البولاريتونات مأكل سطح محلي ولديها القدرة على حصر الضوء في حجم أصغر بكثير من الحد الحيود. 1،3-5 الناتجة شدة المجال عالية يخلق عززت المحلية كثافة الحالات تمكين التفاعلات الضوئية الأمر إلى أن تكون مصممة على مقياس النانو. وقد أثبتت الجهود التي بذلت مؤخرا إجراءات لتجميع حج والاتحاد الافريقي النانوية في مجموعة واسعة من الأحجام والأشكال، بما في ذلك مثلثات، 4،6 أقفاص، 3،4 وقضبان4،7،8 بالإضافة إلى nanocubes مناقشتها هنا. كما تم ملفقة النانو تتألف من عدة nanocomponents حج أو الاتحاد الافريقي التظاهر مصممة خصائص. 1،9-11
هنا، علينا أن نبرهن إجراء لتجميع nanocubes حج والأهم من ذلك، لزوجين هذه nanocubes حج مع فيلم الاتحاد الافريقي الكامنة من أجل تشكيل الهوائيات nanopatch plasmonic. المسافة بين nanocubes حج والفيلم الاتحاد الافريقي يمكن السيطرة عليها مع ~ (1) قرار نانومتر باستخدام سلسلة من طبقات متضاعف الكتروليتي الفاصل. ونحن لشرح كيفية دمج وسيلة نشطة، مثل صبغة العضوية، في الهوائيات nanopatch plasmonic. ويرجع ذلك إلى المجالات الكهرومغناطيسية تقتصر بقوة في المنطقة الفجوة بين nanocubes والفيلم الاتحاد الافريقي، الهوائيات nanopatch يمكن استخدامها لتعزيز عالية مضان وانبعاث عفوي للجزيئات الصبغة المضمنة. 12،13 الأساليب المقدمة في هذه الورقة يمكن تعميمها لبواعث أخرى، يمثح كما الغروية النقاط الحالة الصلبة الكم 14 أو مواد أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد و 15 و صدى مأكل يمكن ضبطها على المدى الطيفي واسعة من خلال تغيير حجم nanocubes أو الفجوة.
Protocol
Representative Results
Discussion
تم توليفها nanocubes الفضة كيميائيا باستخدام ظروف التفاعل مماثلة لالتوليفات ذكرت سابقا. 2،12،17-20 هذا التوليف يمكن تصنيع nanocubes مع أطوال الأضلاع تتراوح من 50 إلى 100 نانومتر. على سبيل المثال، فإن الوقت التدفئة نموذجي من 2.5 ساعة يؤدي إلى nanocubes مع أطوال الأضلاع من ~ 75 نانومتر. زمن تركيب أطول و(> 3 ساعة) يؤدي إلى النانوية أكبر، ولكن هذا قد يؤدي أيضا إلى أشكال مختلفة مثل nanocubes اقتطاع أو ثماني سطوح. تم طرد الحل النهائي وإعادة معلقة في الماء منزوع الأيونات، ويمكن تخزينها لمدة شهر واحد على الأقل في الثلاجة على 4 درجات مئوية دون أي تغييرات ملحوظة في أطياف تناثر الأصداء مأكل 12
حجم وشكل nanocubes حج من العملية الواردة في بروتوكول أعلاه هي حساسة جدا لتنظيف RBF، وكأب، وشريط التحريك وكذلك نوعية الحل EG. Nanopartiجسيمات ذات أشكال مختلفة مثل النانوية مدورة أو مستطيلة هي علامة على أن هناك احتمالا مشكلة مع واحد من هذه الخطوات في التوليف. لذا ينصح أن الخطوات 1.1.1-1.1.4 و1.2.1-1.2.2 تتمتع بأهمية كبيرة.
في الشكل 4B الطيف تشتت جمعها من هوائي nanopatch واحد هو مبين الذي يسلك مأكل صدى قوي عند 650 نانومتر. يشير هذا صدى في الحبس وضع ممتاز في المنطقة الفجوة بين nanocube حج والاتحاد الافريقي الفيلم الذي أصبح ممكنا بفضل nanocubes ذات جودة عالية. بالإضافة إلى ذلك، للحصول على مثل هذا الطيف، هو مطلوب منها أيضا أن العينة نظيفة، وطبقات هل (طبقات PE) لها سمك موحد وأن الفيلم الاتحاد الافريقي الأساسية على نحو سلس. وأكد صدى مأكل قوي مزيدا من البيانات المقدمة في الشكل 4C حيث هوائيات nanopatch الفردية يمكن ملاحظتها في صورة حقل الظلام وفي الشكل 4D حيث مضان كبيرلوحظ تعزيز جزيئات Cy5 تقع في منطقة الثغرة. كما تجدر الإشارة إلى أن nanocubes حج أكسدة مع مرور الوقت على الرغم من طلاء حماية الأصناف النباتية عند تعرضها للهواء، وبالتالي فمن المستحسن أن القياسات البصرية ينبغي أن يقوم في اليوم يتم تحضير عينة أو في حدود 1 إلى 3 أيام. للحد من الأكسدة، فمن المستحسن أن يتم تخزين العينات الهوائي nanopatch في فراغ أو غاز النيتروجين.
الطريقة المعروضة في هذه الورقة يمكن تصنيع nanocubes حج والهوائيات nanopatch plasmonic مع الأبعاد التي تسيطر عليها بشكل جيد باستخدام التوليف الغروية وعملية تراجع طلاء طبقة تلو طبقة. مقارنة مع تقنيات أخرى مثل البصرية أو الإلكترون الطباعة الحجرية شعاع، والتقنية المقدمة هنا تقدم احتمالات منخفضة التكلفة وعلى نطاق واسع الإنتاج في حين أن إنتاج توزيع حجم الضيق النانوية.
الهوائيات nanopatch plasmonic الواردة في هذه الورقة عقد أيضا وعدا كبيرا للالمواد متناهية الصغر الجديدة حسب التصميم نستعرض خصائص فريدة من نوعها والتي قد لا تكون موجودة في نظرائهم العيانية. على وجه الخصوص، وقد أظهرت هذه nanoantennas مستويات قياسية تعزيز مضان من جزيئات الصبغة جزءا لا يتجزأ تتجاوز 30000 (12)؛ التحسينات معدل الانبعاثات العفوية من 1000. فائق السرعة انبعاث عفوي والعائد الكم عالية. 13،14 بالإضافة إلى ذلك، فقد تبين أن بواعث بالإضافة إلى هذه الهوائيات nanopatch معرض الانبعاثات اتجاهي للغاية وهو أمر حاسم للتطبيقات التي تتطلب اقتران إلى كشف خارجي أو الألياف وضع واحد. التطبيقات المستقبلية من الهوائيات النانوية التصحيح قد تتراوح بين فائق السرعة الأجهزة البصرية الالكترونية، مثل الثنائيات التي ينبعث منها ضوء، إلى الاستشعار البصرية كفاءة والأجهزة الضوئية عالية، الاستشعار عن بعد وتقنيات معالجة المعلومات الكم. 12-14
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the Air Force Office of Scientific Research Young Investigator Research Program (AFOSR, Grant. No. FA9550-15-1-0301).
Materials
| Reagents | |||
| Ethylene glycol | J.T. Baker | 9300 | Must be anhydrous |
| Sodium hydrosulfide hydrate | Sigma Aldrich | 161527 | |
| Poly vinylpyrrolidone | Sigma Aldrich | 856568 | |
| Hydrochroric acid BDH ARISTAR PLUS | VWR International | 7647-01-0 | |
| Silver trifluoroacetate | Sigma Aldrich | 482307 | Store in dark place |
| Acetone | Sigma Aldrich | 48358 | |
| Nitric acid | Sigma Aldrich | 7697-37-2 | concentrated (70%), for cleaning |
| Poly(allylamine) hydrochloride (PAH) | Sigma-Aldrich | 283215 | |
| Polystyrene sulfonate (PSS) | Sigma-Aldrich | 561223 | |
| Sodium Chloride | Macron Inc. | 7647 | |
| Sulfo-Cyanine5 carboxylic acid (Cy5) | Lumiprobe | 13390 | Fluorescent dye (molecular weight: 664.76 g/mol) |
| Equipments | |||
| Stirring hotplate with temperature control | VWR International | 89000-338 | |
| Vortex mixers | VWR International | 10153-834 | |
| Microcentrifuge | Thermoscientific | Model 59A | |
| Silicone fluid | Sigma-Aldrich | 63148-62-9 | |
| Micro-scale | Mettler Toledo | Model ML 104/03 | |
| Electron-beam metal evaporator | CHA Industries | E-beam evaporator | Located inside a clean room |
| Pre-cleaned glass slides | Schott North America, Inc. | Nexterion Glass B | Clean room pre-cleaned |
| 25-mL 24/40 round-bottle flask | VWR International | 60002-290 | |
| Magnetic stirring bar | VWR International | 58948-116 | |
| Micropipettes (1-10mL, 10–100 mL and 100–1000 mL) | VWR International | ||
| Ultrasonic cleaning bath | Branson Ultrasonic | Model 1510R-DTH | |
| Stopwatch | VWR International | ||
| Eppendorf centrifugation tubes (1.5 mL) | VWR International | 22364111 | |
| Poly(propylene) coning tubes (50 mL) | VWR International | ||
| Home built bright/darkfield microscope | 75 W Xenon white light source, Nikon BF/DF 50x ELWD 0.55 NA, 8.2 mm WD objective, Nikon D90 digital camera, Acton 2300i spectrometer, Photometrics CoolSnap HQ charge coupled device (CCD) camera |
||
| He Ne laser (633 nm), 5 mW | New Port Co. | R-30990 | |
| Reflectance standard | Lab Sphere | Model SRS-99-010 | |
| Laser long pass filter 633 nm | Semrock | LP02-633RU-25 |
References
- Fan, J. A., et al. Self-Assembled Plasmonic Nanoparticle Clusters. Science. 328 (5982), 1135-1138 (2010).
- Zhang, Q., Li, W., Wen, L. -. P., Chen, J., Xia, Y. Facile Synthesis of Ag Nanocubes of 30 to 70 in Edge Length with CF3COOAg as a Precursor. Chem. Eur. J. 16 (33), 10234-10239 (2010).
- Sun, Y., Xia, Y. Shape-Controlled Synthesis of Gold and Silver Nanoparticles. Science. 298 (5601), 2176-2179 (2002).
- Xia, Y., Halas, N. J. Shape-Controlled Synthesis and Surface Plasmonic Properties of Metallic Nanostructures. MRS Bull. 30 (05), 338-348 (2005).
- Ciraci, C., et al. Probing the Ultimate Limits of Plasmonic Enhancement. Science. 337 (6098), 1072-1074 (2012).
- Chandran, S. P., Chaudhary, M., Pasricha, R., Ahmad, A., Sastry, M. Synthesis of Gold Nanotriangles and Silver Nanoparticles Using Aloevera Plant Extract. Biotechnol. Prog. 22 (2), 577-583 (2006).
- Perez-Juste, J., Pastoriza-Santos, I., Liz-Marzán, L. M., Mulvaney, P. Gold nanorods: Synthesis, characterization and applications. Coord. Chem. Rev. 249 (17-18), 1870-1901 (2005).
- Nikoobakht, B., El-Sayed, M. A. Preparation and Growth Mechanism of Gold Nanorods (NRs) Using Seed-Mediated Growth Method. Chem. Mater. 15 (10), 1957-1962 (2003).
- Rycenga, M., et al. Controlling the Synthesis and Assembly of Silver Nanostructures for Plasmonic Applications. Chem. Rev. 111 (6), 3669-3712 (2011).
- Cortie, M. B., McDonagh, A. M. Synthesis and Optical Properties of Hybrid and Alloy Plasmonic Nanoparticles. Chem. Rev. 111 (6), 3713-3735 (2011).
- Halas, N. J., Lal, S., Chang, W. -. S., Link, S., Nordlander, P. Plasmons in Strongly Coupled Metallic Nanostructures. Chem. Rev. 111 (6), 3913-3961 (2011).
- Rose, A., et al. Control of Radiative Processes Using Tunable Plasmonic Nanopatch Antennas. Nano Lett. 14 (8), 4797-4802 (2014).
- Akselrod, G. M., et al. Probing the mechanisms of large Purcell enhancement in plasmonic nanoantennas. Nature Photon. 8 (11), 835-840 (2014).
- Hoang, T. B., et al. Ultrafast spontaneous emission source using plasmonic nanoantennas. Nat. Commun. 6, (2015).
- Akselrod, G. M., et al. Leveraging Nanocavity Harmonics for Control of Optical Processes in 2D Semiconductors. Nano Lett. 15 (5), 3578-3584 (2015).
- Mock, J. J., Hill, R. T., Tsai, Y. -. J., Chilkoti, A., Smith, D. R. Probing Dynamically Tunable Localized Surface Plasmon Resonances of Film-Coupled Nanoparticles by Evanescent Wave Excitation. Nano Lett. 12 (4), 1757-1764 (2012).
- Skrabalak, S. E., Au, L., Li, X., Xia, Y. Facile synthesis of Ag nanocubes and Au nanocages. Nat. Protocols. 2 (9), 2182-2190 (2007).
- Im, S. H., Lee, Y. T., Wiley, B., Xia, Y. Large-Scale Synthesis of Silver Nanocubes: The Role of HCl in Promoting Cube Perfection and Monodispersity. Angew. Chem. Int. Ed. 44 (14), 2154-2157 (2005).
- Moreau, A., et al. Controlled-reflectance surfaces with film-coupled colloidal nanoantennas. Nature. 492 (7427), 86-89 (2012).
- Lassiter, J. B., et al. Plasmonic Waveguide Modes of Film-Coupled Metallic Nanocubes. Nano Lett. 13 (12), 5866-5872 (2013).
