Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

الغروية توليف Nanopatch هوائيات للتطبيقات في Plasmonics وبصريات النانو

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

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

الحذر: العديد من المواد الكيميائية (مثل حامض النيتريك المركز (15.698 م HNO 3) وحمض الهيدروكلوريك (6 M حمض الهيدروكلوريك)) المستخدمة في هذه الإجراءات تشكل خطرا. قفازات مناسبة، وحماية العين وغيرها من معدات السلامة يجب استخدام. يرجى الرجوع إلى بيانات عن سلامة المواد (MSDS) من جميع المواد الكيميائية قبل الاستخدام.

1. Nanocube التجميعي

  1. إعداد الكواشف
    ملاحظة:     الإثيلين غليكول (EG) يجب أن يكون اللامائية. إغلاق غطاء الحاوية EG كلما لم يتم استخدامه لمنع امتصاص الماء. trifluoroacetate الفضة (AGC 2 F 3 O 2) حساس جدا للضوء ولذلك أعدت AGC 2 F 3 O 2 حل في الخطوة الأخيرة.
    1. إعداد 1.3 ملي بيكبريتيد الصوديوم هيدرات (ناش) حل عن طريق إذابة 1 ملغ من ناش في 13.5 مل من EG.
    2. إعداد 20 ملغ / مل vinylpyrrolidone بولي (PVP) حل عن طريق إذابة 0.1 غرام من PVP في 5 مل من EG.
    3. إعداد 3 ملي محطاحل drochloric عن طريق خلط 2.5 ميكرولتر من 6.0 M سائل حل حمض الهيدروكلوريك مع 4.9975 مل من EG.
    4. إعداد AGC 2 F 3 O 2 حل عن طريق إذابة 0.1 غرام من AGC 2 F 3 O 2 في 0.8 مل من EG.
  2. ضبط معدات
    1. تنظيف قارورة جولة القاع (RBF) وغطاء مع تركيزا (70٪، 15.698 M) حمض النيتريك HNO 3. ملء RBF مع HNO 3 ووضع سقف لمدة 30 دقيقة. ضمان الحد الأقصى يلامس الحامض.
    2. بعد HNO 3 حامض، وتنظيف RBF والغطاء مرة أخرى مع الماء (DI) تنظيف المتأين دي. استخدام غاز النيتروجين نظيفة لتجفيف RBF وغطاء بعد ذلك. وRBF وغطاء لها يجب أن تكون نظيفة وجافة.
    3. تنظيف شريط التحريك المغناطيسي بواسطة تخبط في HNO 3 لمدة 30 دقيقة. بعد HNO 3، تنظيفه مرة أخرى بالماء DI وجففه مع غاز النيتروجين نظيفة.
    4. يعد حمام التدفئة. وضع حمام السيليكون السائل (كما هو موضح في الشكل 1A)على رأس موقد اثارة مع درجة الحرارة التي تسيطر عليها بشكل جيد. استخدام مقياس الحرارة الخارجي لمراقبة درجة حرارة حمام السوائل. ضبط درجة الحرارة إلى 150 درجة مئوية وسرعة التحريك إلى 260 دورة في الدقيقة.
    5. جبل RBF مع المشبك كما هو مبين في الشكل 1B. وضع شريط التحريك المغناطيسي (المعد في الخطوة 1.2.3) في RBF.
  3. إجراء توليف
    1. تراجع RBF في حمام التدفئة (حوالي 10 ملم في عمق السائل، وانظر الأرقام 1A-1B).
    2. استخدام micropipette لوضع 10 مل من محلول EG في RBF. وضع غطاء على RBF والانتظار لمدة 20 دقيقة. والغرض من هذه الخطوة هو لتنظيف RBF مرة أخرى، وهذه المرة مع EG.
    3. بعد 20 دقيقة، وإزالة الغطاء ثم ارفع RBF من حمام التدفئة، صب 10 مل من EG في وعاء التخلص منها. ملاحظة: الحل EG حار (150 درجة مئوية)، وينصح بتناول المشبك كامل من (الشكل 1B). جعل متأكد من عشرفي شريط التحريك المغناطيسي (راجع الخطوة 1.2.5) لا تسقط.
    4. وضع RBF مرة أخرى في حمام التدفئة (راجع الخطوة 1.3.1).
    5. استخدام micropipette لوضع 5 مل من EG في RBF ووضع سقف ل.
    6. الانتظار لمدة 5 دقائق.
    7. قبعة تأخذ في RBF قبالة، واستخدام micropipette لوضع 60 ميكرولتر من ناش (كما أعدت في الخطوة 1.1.1 أعلاه) في RBF. وضع الغطاء مرة أخرى.
    8. الانتظار لمدة 2 دقيقة.
    9. قبعة تأخذ في الاستعراض المفصل قبالة، واستخدام micropipette لوضع 500 ميكرولتر من محلول حمض الهيدروكلوريك (كما أعدت في الخطوة 1.1.3 أعلاه) في RBF.
    10. مباشرة بعد الخطوة السابقة، واستخدام micropipette لوضع 1.25 مل من محلول PVP (كما أعدت في الخطوة 1.1.2 أعلاه) في RBF. وضع الغطاء مرة أخرى.
    11. الانتظار لمدة 2 دقيقة.
    12. قبعة تأخذ في RBF قبالة، واستخدام micropipette لوضع 400 ميكرولتر من الحل AGC 2 F 3 O 2 (كما أعدت في الخطوة 1.1.4 أعلاه) في RBF. وضع الغطاء مرة أخرى.
    13. الانتظار لمدة 2.5 ساعة. nanocubes حج تتشكل خلال هذه الخطوة. إذا كان ذلك ممكنا، وخلال هذا الوقت، والحد من ضوء الغرفة إلى أدنى حد ممكن.
    14. بعد 2.5 ساعة، وتحويل سخان وتركت اثارة على تجنب حرق السائل على الجزء السفلي. استخدام المشبك (كما هو موضح في الشكل 1B) لرفع RBF فوق حمام التدفئة. إزالة الغطاء.
    15. إزالة RBF من الحمام التدفئة بحيث سوف تهدئة أسرع. بعد ~ 20 دقيقة، إضافة 5 مل من الاسيتون في RBF. دوامة أنه من أجل خلط الحلول جيدا. في نهاية المطاف، فإن الحجم الكلي للالحل هو 12 مل. انظر الشكل 2A.
    16. استخدام micropipette ونقل الحل النهائي لثمانية أنابيب البلاستيك 1.5 مل أصغر.
    17. أجهزة الطرد المركزي لهذه الأنابيب ثمانية بسرعة 5150 x ج لمدة 10 دقيقة. ونتيجة لذلك، فإن جميع nanocubes حج تكون على الجزء السفلي من الأنابيب. استخدام micropipette لإزالة طاف العلوي، وترك ~ 100 ميكرولتر في الجزء السفلي من كل أنبوب.
    18. ملء 1 مل من الماء DI في كل من هذهأنابيب (تم الحصول عليها من الخطوة 1.3.17). دوامة ويصوتن (5 دقائق) الأنابيب. وعلقت Nanocubes الآن في المقام الأول المياه DI.
    19. الطرد المركزي مرة أخرى ثمانية أنابيب أعدت في الخطوة 1.3.18 في 5150 x ج لمدة 5 دقائق. وجميع nanocubes حج تكون على الجزء السفلي من الأنابيب. استخدام micropipette لإزالة طاف العلوي، وترك حوالي 100 ميكرولتر في الجزء السفلي من كل أنبوب.
    20. ملء 1 مل من الماء DI في كل من الأنابيب التي تم الحصول عليها من الخطوة 1.3.19. دوامة ويصوتن الأنابيب. وعلقت Nanocubes الآن في الماء DI. ويظهر الحل النهائي nanocube تم الحصول عليها من هذا التوليف في الشكل 2B كمثال على ذلك.

2. الذهب فيلم التبخر

ملاحظة: تم استخدام المبخر الإلكترون الحزم لايداع الذهب (الاتحاد الافريقي) الأفلام على غرف الأبحاث التي تم شراؤها تنظيف الشرائح، مع الكروم (الكروم) بصفتها طبقة التصاق. وتستغرق عملية التبخر مكان داخل فراغ الغرفة، مما يتيح للجزيئات لتتبخر بحريةفي الغرفة وبعد ذلك تسامى على الركيزة. إجراء العملية هو:

  1. تنفيس غرفة، عن طريق الضغط على "تنفيس السيارات".
  2. فتح باب الغرفة وتحميل ركائز في القبة.
  3. أغلق الباب ومضخة أسفل عن طريق الضغط على "مضخة السيارات"، فإنه يأخذ حوالي 1 ساعة لغرفة ضخ أسفل حتى الضغط هو أقل من 5 × 10 -6 عربة.
  4. تعديل وصفة. طبقة # 1: الكروم، سمك: 5 نانومتر، معدل الترسيب: 1 / ثانية؛ طبقة # 2: الاتحاد الافريقي، سمك: 50 نانومتر، ومعدل ترسب: 2 A / ثانية.
  5. عند الوصول إلى مستوى الفراغ المطلوب، فإن عملية ترسب أول معدن تبدأ تلقائيا عن طريق الضغط على "تشغيل تلقائي".
    ملاحظة: خلال الترسيب، ويتم تشغيل وحدة عالية الجهد على والجهد 10 كيلو فولت. يتم تشغيل بندقية وحدة تناوب على، وتركيبات تناوب 20 دورة في الدقيقة. بعد انتهاء الطبقة الأولى، سيقوم النظام تلقائيا نقل إلى الموقع جيب من المعدن الثاني وتبدأ deposiنشوئها.
  6. بعد العملية برمتها هي كاملة، اضغط على "تنفيس السيارات" للتنفيس عن الغرفة وأخذ عينة من.
    وكانت سماكة الكلي للفيلم الاتحاد الافريقي 50 نانومتر وقياس خشونة السطح باستخدام مجهر القوة الذرية (AFM) مما أسفر عن الجذر نموذجي يعني مربع (RMS) من 0.7 نانومتر: مذكرة. تم إجراء أي معاملة خاصة من ركائز الزجاج شراؤها قبل الاتحاد الافريقي ترسب الفيلم.

3. ترسب طبقات PE

  1. إعداد الكواشف
    1. لمحلول كلوريد الصوديوم (كلوريد الصوديوم)، مزيج 29 غراما من مسحوق كلوريد الصوديوم مع 500 مل من الماء DI.
    2. من أجل حل البوليسترين سلفونات (PSS)، مزيج 29 غراما من مسحوق كلوريد الصوديوم مع 500 مل من الماء DI ثم يضاف 1.5 مل من محلول المخزون جهاز الأمن الوقائي.
    3. من أجل حل بولي (آليلامين) هيدروكلوريد (الهيئة العامة للإسكان)، مزيج 29 غراما من مسحوق كلوريد الصوديوم مع 500 مل من الماء DI ثم إضافة 132 ملغ من الهيئة العامة للإسكان.
  2. طبقة تلو طبقة ترسب
    ملاحظة:    وقليلا اتهم الهيئة العامة للإسكان بشكل إيجابي في حين أن قليلا اتهم جهاز الأمن الوقائي سلبا. كما اتهم قليلا الفيلم الاتحاد الافريقي ملفقة في القسم 2 أعلاه سلبا، سوف يتم إيداع طبقة الهيئة العامة للإسكان أولا. الخطوات التالية سوف تظهر في تفاصيل كيفية إيداع خمس طبقات PE: الهيئة العامة للإسكان / PSS / الهيئة العامة للإسكان / PSS / الهيئة العامة للإسكان.
    1. أولا، إيداع طبقة الهيئة العامة للإسكان عن طريق غمر الفيلم الذهب (ملفقة في القسم 2 أعلاه) إلى حل الهيئة العامة للإسكان (المعد في الخطوة 3.1.3) لمدة 5 دقائق. وهذا يؤدي إلى طبقة الهيئة العامة للإسكان على رأس فيلم الاتحاد الافريقي مع سمك ~ 1 نانومتر.
    2. بعد 5 دقائق، وشطف طبقة فيلم + 1 الهيئة العامة للإسكان الاتحاد الافريقي بالماء DI نظيفة.
    3. تزج الهيئة العامة للإسكان طبقة الاتحاد الافريقي فيلم + 1 في حل كلوريد الصوديوم (المعد في الخطوة 3.1.1) لمدة 1 دقيقة.
    4. تزج الاتحاد الافريقي فيلم + 1 طبقة الهيئة العامة للإسكان (بعد الخطوة 3.2.3) إلى حل جهاز الأمن الوقائي لمدة 5 دقائق. وهذا يؤدي إلى طبقة PSS مع سمك ~ 1 نانومتر على أعلى طبقة الهيئة العامة للإسكان.
    5. بعد 5 دقائق، وشطف PSS طبقة الاتحاد الافريقي طبقة فيلم + 1 +1 الهيئة العامة للإسكان بالماء DI نظيفة.
    6. تزج فيل الاتحاد الافريقيم + 1 الهيئة العامة للإسكان طبقة طبقة + 1 جهاز الأمن الوقائي في حل كلوريد الصوديوم لمدة 1 دقيقة.
    7. تزج الاتحاد الافريقي فيلم + 1 الهيئة العامة للإسكان طبقة طبقة + 1 جهاز الأمن الوقائي في حل الهيئة العامة للإسكان لمدة 5 دقائق. وهذا يؤدي إلى طبقة الهيئة العامة للإسكان آخر مع سمك ~ 1 نانومتر على أعلى طبقة PSS (المعد في خطوة 3.2.4 أعلاه).
    8. بعد 5 دقائق، وشطف الاتحاد الافريقي فيلم + 1 +1 الهيئة العامة للإسكان الطبقات PSS + 1 الهيئة العامة للإسكان بالماء DI نظيفة.
    9. تزج الاتحاد الافريقي طبقات فيلم + 1 + 1 الهيئة العامة للإسكان PSS + 1 الهيئة العامة للإسكان في حل كلوريد الصوديوم لمدة 1 دقيقة.
    10. تزج الاتحاد الافريقي طبقات فيلم + 1 + 1 الهيئة العامة للإسكان PSS + 1 الهيئة العامة للإسكان في حل الهيئة العامة للإسكان لمدة 5 دقائق. وهذا يؤدي إلى طبقة PSS الثانية مع سمك ~ 1 نانومتر على أعلى طبقة الهيئة العامة للإسكان (الذي أعد في الخطوة 3.2.7 أعلاه).
    11. بعد 5 دقائق، وشطف الاتحاد الافريقي فيلم + 1 +1 الهيئة العامة للإسكان PSS + 1 + 1 الهيئة العامة للإسكان الطبقات PSS بالماء DI نظيفة.
    12. تزج الاتحاد الافريقي فيلم + 1 + 1 الهيئة العامة للإسكان PSS + 1 +1 الهيئة العامة للإسكان الطبقات جهاز الأمن الوقائي في حل كلوريد الصوديوم لمدة 1 دقيقة.
    13. تزج الاتحاد الافريقي فيلم + 1 + 1 الهيئة العامة للإسكان PSS + 1 +1 الهيئة العامة للإسكان الطبقات جهاز الأمن الوقائي في حل الهيئة العامة للإسكان لمدة 5 دقائق. هذه النتيجةالصورة في طبقة الهيئة العامة للإسكان آخر مع سمك ~ 1 نانومتر على أعلى طبقة جهاز الأمن الوقائي (الذي أعد في الخطوة 3.2.10 أعلاه).
    14. أخيرا، شطف الاتحاد الافريقي فيلم + 1 + 1 الهيئة العامة للإسكان PSS + 1 +1 الهيئة العامة للإسكان PSS + 1 الهيئة العامة للإسكان بالماء DI وتجفيف العينة باستخدام غاز النيتروجين نظيفة.
      ملاحظة: تم قياس سمك الكلي للطبقات PE خمسة في الهواء باستخدام ellipsometer الطيفي في زوايا سقوط 65 °، 70 °، و 75 درجة مئوية، مما أسفر عن سمك 5.0 ± 0.1 نانومتر.

4. ترسب Cy5 صبغ الجزيئات

  1. يعد حل Cy5 25 ميكرومتر مع الماء DI مثل المذيبات.
  2. فضح سطح العينة (التي لديها سلسلة من خمس طبقات PE، كما هو موضح في القسم 3 أعلاه) إلى 100 ميكرولتر من حل Cy5 25 ميكرومتر لمدة 10 دقيقة. يلقي أول انخفاض 100 ميكرولتر من الحل Cy5 (المعد في الخطوة 4.1) على سطح العينة ومن ثم وضع زلة غطاء على رأس قطرة الحل. سوف جزيئات Cy5 تدرج في رانه الطبقات العليا PE بشكل موحد.
  3. بعد 10 دقيقة، شطف العينة بالماء DI وجففه مع غاز النيتروجين نظيفة.

5. ترسب Nanocubes إلى طريقة Nanopatch هوائيات (برامج العمل الوطنية)

  1. تمييع الحل nanocube تم الحصول عليها من القسم 1 بعامل 1/100 باستخدام الماء DI لتمكين دراسة البصرية خطط العمل الوطنية الفردية.
  2. استخدام micropipette إلى وضع قطرة من 20 ميكرولتر من حل nanocube المخفف (المعد في الخطوة 5.1) على زلة غطاء نظيف. ضع العينة (المعد في القسم 4) في اتصال مع انزلاق غطاء لمدة 2 دقيقة. هذه النتائج في nanocubes حج إلى أن يجمد على الطبقة العليا الهيئة العامة للإسكان الطرفية لأن nanocubes تصنيعه هنا سالبة الشحنة ويتم شحن طبقة الهيئة العامة للإسكان أعلى بشكل إيجابي.
  3. بعد 2 دقيقة، شطف العينة بالماء DI والجافة مع غاز النيتروجين نظيفة.
    ملاحظة: الخطوات 5،1-5،3 وصف الإجراء لإعداد نموذج للدراسات البصرية خطط العمل الوطنية واحدة باستخدام حقل مظلم مicroscope (الظلام نثر الميدان). لإعداد نموذج لقياس انعكاسية، يتم تطبيق إجراء مماثل إلا أنه في الخطوة 5.1 تضعف الحل nanocube الأصلي بعامل 1/10 بدلا من 1/100.

6. القياسات البصرية

ملاحظة: يتم استخدام مخصص بنيت السطوع الضوئي المجهر / الظلام الميدان في هذه القياسات. تضاء برامج العمل الوطنية من مصدر الضوء الأبيض من خلال العمل لمسافات طويلة الهدف السطوع / الظلام الميدان. يتم جمع ينعكس / الضوء المتناثرة من برامج العمل الوطنية من قبل نفس الهدف. ويستخدم فتحة الثقب (50 ميكرون قطر) على طائرة الصورة لتحديد إشارة من nanoantenna الفردية. ويتم استخدام الكاميرا الرقمية لالتقاط صورة ملونة. وتستخدم الطيف وجهاز جانب (CCD) الكاميرا تهمة الحصول على البيانات الطيفية. لقياسات مضان، يتم استخدام 633 نانومتر موجة مستمرة الحنة ليزر لالإثارة والإشارة تصفية طيفيا من قبل مرشح تمريرة طويلة.

الظلام الطيف نثر مجال برامج العمل الوطنية واحدة
  1. تحت إضاءة الضوء الأبيض، وتحديد برامج العمل الوطنية واحدة على عينة الذي تم إعداده في القسم 5. تحت إضاءة الضوء الأبيض، ويبدو أن برامج العمل الوطنية الفردية النقاط الملونة كما مشرق، أحمر أو وردي كما هو مبين في الشكل 4C.
  2. التوفيق بين وجود جيش الشعب الجديد واحد مع فتحة الثقب باستخدام مرحلة الترجمة. تأكد من أن الصورة نثر الحقل المظلم من جيش الشعب الجديد لا يزال لوحظ بعد فتحة الثقب.
  3. الحصول على طيف الضوء المتناثرة من جيش الشعب الجديد باستخدام مطياف وكاميرا CCD مع الوقت التكامل 1 ثانية. لأن منطقة الفتحة (50 ميكرون) هي أكبر بكثير من الحجم الفعلي لجيش الشعب الجديد (~ 75 نانومتر) الطيف يحتوي الضوء المتناثرة من جيش الشعب الجديد بالإضافة إلى إشارة من المنطقة المحيطة بها جيش الشعب الجديد.
  4. نقل العينة إلى المنطقة من دون أي برامج العمل الوطنية والحصول على طيف آخر مع 1 حان الوقت التكامل. ويمثل هذا الطيف الضوء المتناثرة منخلفية.
  5. إزالة عينة مع برامج العمل الوطنية ووضع شهادة عينة الانعكاس مستوى في الإعداد. الحصول على طيف الضوء المتناثرة مع الوقت التكامل 0.1 ثانية من أجل تطبيع إشارة من جيش الشعب الجديد.
  6. إغلاق فتحة الثقب والحصول على الطيف مع الوقت التكامل 0.1 ثانية من دون أي إشارة الدخل. ويمثل هذا الطيف التهم CCD الظلام.
  7. حساب الطيف نثر النهائي لجيش الشعب الجديد على النحو التالي:
    المعادلة 1
    حيث أنا NPA + الخلفية، وخلفية، والضوء الأبيض، واتفاقية مكافحة التصحر الظلام هي أطياف نثر تقاس الخطوات 6.1.3، 6.1.4، 6.1.5 و 6.1.6، على التوالي.
  8. استخراج صدى مأكل من جيش الشعب الجديد عن طريق حساب الوسطى من ذروة تشتت الرنين. 16
  • تعزيز مضان من جزيئات Cy5 التي كتبها واحد Nالمناطق المحمية
    1. تحت إضاءة الضوء الأبيض، وتحديد برامج العمل الوطنية واحدة من العينة التي أعدت في القسم 5. في الحقل المظلم، تظهر برامج العمل الوطنية الفردية النقاط الملونة كما مشرق، أحمر أو وردي كما هو مبين في الشكل 4C.
    2. التوفيق بين وجود جيش الشعب الجديد واحد مع فتحة الثقب باستخدام مرحلة الترجمة. ضمان أن يتم الكشف عن صورة نثر الحقل المظلم من جيش الشعب الجديد بواسطة الكاميرا وضعت بعد فتحة الثقب.
    3. إيقاف ضوء الإضاءة البيضاء وتشغيل 633 نانومتر موجة مستمرة الحنة الليزر المستخدمة لإثارة.
    4. وضع 633 نانومتر مرشح ليزر تمريرة طويلة في مسار بصري الحق قبل مدخل مطياف من أجل منع أي ضوء الليزر متناثرة.
    5. الحصول على الطيف مضان من الانبعاثات من جزيئات Cy5 باستخدام الوقت التكامل 1 ثانية. لأن منطقة الفتحة (50 ميكرون) هي أكبر بكثير من الحجم الفعلي لجيش الشعب الجديد (~ 75 نانومتر) يحتوي هذا الطيف الانبعاثات من كل من الجزيئات جزءا لا يتجزأ من العمل الوطني وأهلا وسهلال كما الجزيئات المحيطة بها جيش الشعب الجديد.
    6. نقل العينة إلى المنطقة من دون أي برامج العمل الوطنية والحصول على طيف آخر مع الوقت التكامل 1 ثانية. ويمثل هذا الطيف انبعاث من الجزيئات في الخلفية، بدون أي برامج العمل الوطنية.
    7. إعداد عينة منفصلة، ​​والتي سيتم استخدامها كعينة مراقبة، وبعد إجراء في القسمين 3 و 4 حيث يتم دمج جزيئات Cy5 مع طبقات PE على أعلى شريحة زجاجية (بدون فيلم الاتحاد الافريقي وnanocubes حج).
    8. الحصول على الطيف مضان من الانبعاثات من جزيئات Cy5 على عينة السيطرة أعدت في الخطوة السابقة باستخدام وقت التكامل 10 ثانية.
    9. تحديد عامل تعزيز مضان باستخدام أطياف مضان تقاس الخطوات 6.2.5، 6.2.6 و 6.2.8، مع الأخذ بعين الاعتبار التهم المظلمة اتفاقية مكافحة التصحر، وتطبيع من قبل وحدة المساحة واكتساب مرات. 12،14

    • Representative Results

    هنا، وتبين لنا نتائج ممثل من خصائص الهوائيات nanopatch plasmonic، بما في ذلك الصور ووزارة شؤون المرأة من هيكل عينة، مجموعة انعكاسية من مجموعة من الهوائيات nanopatch وطائفة ونثر من هوائي nanopatch واحد. طاقة الرنين مأكل من الهوائيات nanopatch يعتمد على حجم nanocubes، سمك المنطقة فجوة عازلة، أي عدد من الطبقات PE، فضلا عن مواد عازلة. في الإجراء الواردة أعلاه حصلنا nanocubes حج بمتوسط ​​طول الجانب من 75 نانومتر، وتدوير زوايا قليلا (نصف قطر انحناء ~ 10 نانومتر) مغلفة بطبقة حماية الأصناف النباتية مع سمك يقدر ب 1-3 نانومتر. في مزيج مع الطبقات PE 5 و فيلم الذهب، هذه النتيجة في صدى مأكل تركزت في ~ 650 نانومتر مع عرض كامل-في-نصف الحد الأقصى (FWHM) من ~ 50 نانومتر. وهذا بدوره قد تداخل الطيفية جيدة مع امتصاص وانبعاث الطول الموجي للرانه Cy5 الجزيئات التي تتركز في 646 و662 نانومتر، على التوالي.

    ويبين الشكل 3A صورة SEM من عينة مع تركيز عال من nanocubes. وقد تم إيداع هذه nanocubes على رأس فيلم الاتحاد الافريقي مع 5 طبقات PE. وتستخدم هذه الصور ووزارة شؤون المرأة للتحقق من الجودة الشاملة من التوليف nanocube. ومع ذلك، لا تستخدم هذه العينات لإجراء مزيد من القياسات البصرية وكثافة nanocubes مرتفعة جدا. بالإضافة إلى ذلك، نظرا لكثافة عالية، وبعض nanocubes لا تكذب على السطح وهو أمر ضروري لتشكيل هيكل هوائي nanopatch plasmonic.

    ويبين الشكل 3B صورة SEM لعينة من nanocubes ملفقة باستخدام محلول nanocube الذي تم تخفيفه بعامل 1/10. وتستخدم هذه العينة لقياس حيث تم قياس انعكاسية الضوء الأبيض من فرقة من الهوائيات nanopatch لتحديدالعام صدى مأكل. الشكل 3C يظهر صورة SEM لعينة من nanocubes ملفقة باستخدام محلول nanocube الذي تم تخفيفه بعامل 1/100. يستخدم هذا النموذج لنثر قياسات هوائي nanopatch الفردية. باستخدام الحل nanocube المخفف تمكن هوائيات nanopatch الفردية أن تكون معزولة مكانيا على طائرة الصورة باستخدام الثقب الصغير.

    ويبين الشكل 4A طائفة انعكاسية، بعد تطبيع مع ضوء الخلفية بيضاء، وتقاس من عينة مماثلة لتلك التي تظهر في الصورة SEM في الشكل 3B. الشكل 4B يظهر الطيف تناثر من هوائي nanopatch واحدة مماثلة لعينة المبينة في صورة SEM في الشكل 3C.

    ويبين الشكل 4C صورة الحقل المظلم من عينة هوائي nanopatch (من 1/10 أعدت0 المخفف حل nanocube فرقت على فيلم الذهب مع 5 PE طبقات) من خلال كاميرا رقمية نيكون D90 اتخاذها. ومن المقرر أن تبعثر الضوء الأبيض من الهوائيات nanopatch الفردية النقاط الحمراء الزاهية لوحظ. ولوحظت بقع قليلة لدينا ألوان أخرى من الأحمر، والتي هي نتيجة لnanocubes مع أحجام مختلفة أو النانوية أكبر مع الأشكال غير مكعب.

    ويبين الشكل 4D اثنين من الأطياف مضان، واحد تقاس من هوائي nanopatch واحد (من تشبه عينة لواحد هو مبين في الشكل 3C) والآخر من عينة مراقبة تتكون من شريحة زجاجية مع نفس العدد من طبقات البولي ايثيلين وكثافة Cy5 جزيئات الصبغة. كثافة مضان من جزيئات Cy5 بالإضافة إلى هوائي nanopatch هي أقوى بكثير من التركيز على شريحة زجاجية. وهذا ناتج عن معدل الإثارة تعزيز فضلا عن نمط الإشعاع تعديل وزيادة كفاءة الكم من جزيئات الصبغة. 1 2 بعد تصحيح لمضان الخلفية وتطبيع في وحدة المساحة من خلال تقسيم المنطقة تحت nanocube مع حجم الإثارة نقطة و 12 نحصل على عامل تعزيز ~ 12،000 من البيانات هو مبين في الشكل 4D. هذا عامل تعزيز أصغر مقارنة مع قيمة المبلغ عنها سابقا من 30000 12 الأرجح بسبب استخدام الاتحاد الافريقي بدلا من فيلم حج، وزيادة الخسائر غير الإشعاعي.

    شكل 1
    الشكل الإعداد 1. معدات حج التوليف nanocube. (A) وصورة من ضبط معدات تبين حمام التدفئة على أعلى موقد اثارة مع التحكم في درجة الحرارة. (ب) وقرب من قارورة جولة القاع (RBF) التي تحتوي على حل nanocube خلال التوليف. يقع الإعداد داخل غطاء الدخان مع التهوية المناسبة.TPS: //www.jove.com/files/ftp_upload/53876/53876fig1large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

    الشكل 2
    الشكل 2. صور من الحل nanocube. (A) حل Nanocube بعد تركيب 2.5 ساعة و (ب) بعد نقلها إلى أنابيب أصغر وفي دي المتأينة المياه علقت من جديد. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم .

    الشكل (3)
    الشكل 3. الأوصاف ووزارة شؤون المرأة من nanocubes حج (أ) صورة SEM من عينة nanocube المركزة، (ب) المخفف (1/10)nanocube العينة، و (C) المخفف (1/100) nanocube العينة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

    الشكل (4)
    الشكل 4. التوصيفات البصرية الهوائيات nanopatch. (A) تطبيع الطيف انعكاس تقاس من فرقة من الهوائيات nanopatch (غير المخفف-حل nanocube). (ب) الطيف التشتت من هوائي nanopatch واحد (1/100 المخفف حل nanocube). (C) صورة الميدان المظلم من عينة هوائي nanopatch (1/100 المخفف حل nanocube) التي اتخذت تحت إضاءة الضوء الأبيض. كل نقطة حمراء زاهية يتوافق مع هوائي nanopatch plasmonic الفردية. (D) الإسفار من جزيئات الصبغة Cy5 تضميندائرة التنمية الاقتصادية في هوائي nanopatch (خط أحمر الصلبة) مقارنة بما كان عليه من شريحة زجاجية مع تركيز مماثل من الأصباغ Cy5 (متقطع الخط الأسود). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

    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

    Materials

    Name Company Catalog Number Comments
    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-bottom flask VWR International 60002-290
    Magnetic stirring bar VWR International 58948-116
    Micropipettes (1–10 ml, 10–100 ml and 100–1,000 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 Newport Corp. 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

    الهندسة، العدد 111، nanocubes، والتوليف، plasmonics، nanoantennas، والهوائيات nanopatch، وتعزيز مضان
    الغروية توليف Nanopatch هوائيات للتطبيقات في Plasmonics وبصريات النانو
    Play Video
    PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

    Cite this Article

    Hoang, T. B., Huang, J., Mikkelsen,… More

    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).

    Less
    Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
    View Video

    Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

    Waiting X
    Simple Hit Counter