Name: 形状-各向异性胶体镉硫纳米结构的 Facet-to-facet 连接 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-08-10T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 12 s
Description: 学习通过面-面定向连接技术合成形状各向异性胶体半导体纳米晶体的方法。该方案利用银离子交换反应实现纳米晶体共价连接，在保持溶液可加工性的同时显著提升粒子间电荷传输效率，适用于纳米棒和四足体等多种形貌。

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本工作得到了JCO A*STAR研究员项目资助（项目编号：1437C00135）、A*STAR科学与工程研究理事会公共部门资助（项目编号：1421200076）以及JSPS-NUS联合研究项目资助（WBS编号：R143-000-611-133）的支持。

1. 前体储备溶液的制备
<ol>
	<li>TOP-Se 储备液。
	<ol>
		<li>在氮气氛围的手套箱中，称取 11.84 g 硒颗粒放入一个 150 mL 锥形瓶中，并在瓶中放入一根磁力搅拌子。</li>
		<li>向锥形瓶中加入 100 mL 三正辛基膦（TOP），并用橡胶隔垫密封瓶口。</li>
		<li>在 800 RPM 条件下搅拌过夜。 
		注意：当硒颗粒完全溶解于 TOP 中后，TOP-Se 储备液（1.5 M）即可用于后续反应。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>TOP-S 储备液。
	<ol>
		<li>称取 0.611 g 硫粉放入一个 20 mL 单颈圆底烧瓶（RBF）中，并在瓶中放入一根磁力搅拌子。</li>
		<li>向硫粉中加入 10 mL TOP，用橡胶隔垫密封烧瓶，置于氮气氛围下，并在 800 RPM 条件下搅拌。</li>
		<li>当硫粉完全溶解且溶液澄清后，即可将 TOP-S 储备液用于后续反应。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. CdSe量子点（QD）储备溶液的合成
<ol>
	<li>纤锌矿 CdSe 量子点。 
	注：参见5。
	<ol>
		<li>在三口圆底烧瓶（RBF）中混合 9 g 三正辛基氧化膦（TOPO）、6 g 十六胺（HDA）和 0.25 mL 二异辛基膦酸（DIPA）。向混合物中加入磁力搅拌子，并通过打孔的橡胶隔垫将温度探头插入 RBF 中。
		<ol>
			<li>在 RBF 上安装回流冷凝器，并通过适配器将其连接至施兰克线（Schlenk line）。在所有玻璃-玻璃接头处涂抹高真空润滑脂。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>在 800 RPM 恒定搅拌下，于 100 °C 对溶液抽真空除气 2 小时。</li>
		<li>另取一个单口圆底烧瓶（RBF），分别加入 0.320 g 乙酰丙酮镉（Cd(acac)2）、0.570 g 十六烷二醇（HDDO）和 6 mL 1-十八烯（ODE）。加入磁力搅拌子，在油浴中于 120 °C 和 800 RPM 恒定搅拌条件下对混合物抽真空除气 2 小时。</li>
		<li>除气 2 小时后，将三口 RBF 的温度升至 345 °C。同时，让镉前驱体混合物冷却至室温，并向单口 RBF 中加入 4 mL TOP-Se 储备溶液。</li>
		<li>当三口 RBF 温度达到 345 °C 时，迅速将全部镉和硒前驱体溶液注入其中。注入前驱体溶液后立即移除加热套，并让反应混合物在常温条件下冷却至室温。</li>
		<li>向粗反应混合物中加入 15 mL 甲苯，通过在 2,240 × g 条件下离心 3 分钟处理合成的量子点。弃去沉淀，向回收的上清液中加入过量甲醇。在 2,325 × g 条件下离心 8 分钟，弃去上清液。</li>
		<li>向沉淀中加入 5 mL 甲苯以分散量子点。通过使用 30 mL 甲醇沉淀量子点进行进一步处理循环：将悬浮液在 2,240 × g 条件下离心 3 分钟，弃去上清液，再将量子点重新分散于 5 mL 甲苯中。
		<ol>
			<li>完成两次处理循环后，将量子点分散于少量（约 2–3 mL）甲苯中（此后称为量子点储备溶液），以供后续使用。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>取 20 µL 储备溶液加入 3 mL 甲苯中，测定溶液中量子点的浓度。在 350 nm 处测量吸光度，并利用已知的 350 nm 处摩尔吸光系数6计算浓度。根据储备溶液的稀释倍数相应调整浓度。 
		注：为获得高度尺寸均一的量子点，必须在溶液中保持剧烈搅拌，并在步骤 2.1.5 中快速注入前驱体溶液后立即移除加热套。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>闪锌矿 CdSe 量子点。 
	注：参见7。
	<ol>
		<li>在三口圆底烧瓶（RBF）中混合 0.0384 g 氧化镉（CdO）、0.137 g 肉豆蔻酸（MA）和 5 mL ODE。向混合物中加入磁力搅拌子，并通过打孔的橡胶隔垫将温度探头插入 RBF 中。在 RBF 上安装回流冷凝器，并通过适配器将其连接至施兰克线（Schlenk line）。用橡胶隔垫密封剩余端口。在所有玻璃-玻璃接头处涂抹高真空润滑脂。</li>
		<li>在 800 RPM 恒定搅拌下，于 90 °C 对溶液抽真空除气。</li>
		<li>另取一个单口圆底烧瓶（RBF），在 75 °C 和 800 RPM 恒定搅拌条件下，对 0.05 mL 油酸（OA）、0.5 mL 油胺（OM）和 2 mL ODE 的混合物进行抽真空除气。</li>
		<li>将镉前驱体溶液升温至 250 °C 并维持 15 分钟。观察到溶液颜色由深棕色变为无色，表明肉豆蔻酸镉已形成。</li>
		<li>将反应混合物冷却至 90 °C，加入 12 mL ODE，再次抽真空除气 1 小时。</li>
		<li>让反应混合物冷却至室温，加入 0.012 g 硒粉，并对混合物抽真空除气 20 分钟。</li>
		<li>在 N2 氛围下将反应混合物升温至 240 °C。观察到溶液颜色在 150 °C 时由无色变为黄色，达到 240 °C 时进一步变为橙红色，表明已形成闪锌矿结构 CdSe 量子点（zb-CdSe QDs）。</li>
		<li>在 240 °C 下生长量子点 5 分钟，然后将混合物冷却至室温。将已除气的 OM、OA 和 ODE 混合物逐滴加入反应溶液中。让溶液在常温条件下冷却至室温。</li>
		<li>向生长完成的溶液中加入丙酮，直至总体积约为 50 mL，以处理合成的量子点。将所得悬浮液在 2,240 × g 条件下离心 3 分钟，随后弃去上清液。</li>
		<li>向沉淀中加入 5 mL 甲苯以分散量子点。进行进一步处理循环：使用 30 mL 甲醇沉淀量子点，将悬浮液在 2,240 × g 条件下离心 3 分钟，弃去上清液，再将量子点重新分散于 5 mL 甲苯中。
		<ol>
			<li>完成两次处理循环后，将量子点分散于少量（约 2–3 mL）甲苯中（此后称为量子点储备溶液），以供后续使用。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>取 20 µL 处理后的纳米颗粒加入 3 mL 甲苯中，测定储备溶液中 CdSe 量子点的浓度。在 350 nm 处测量吸光度，并利用已知的 350 nm 处摩尔吸光系数6计算浓度。根据储备溶液的稀释倍数相应调整浓度。 
		注：为成功合成单分散量子点，必须确保所有硒粉均加入反应混合物中，不得有任何残留附着于 RBF 的瓶颈或侧壁上。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. CdSe 量子点种子生长法合成 CdS 纳米棒
注：参见8。
<ol>
	<li>在50 mL三颈圆底烧瓶（RBF）中混合3 g TOPO、0.90 g CdO、0.80 g 己基膦酸（HPA）和0.29 g 十八烷基膦酸（ODPA）。向混合物中加入磁力搅拌子，并通过打孔的橡胶隔垫插入温度探头。</li>
	<li>在RBF上安装回流冷凝管，并通过适配器将其连接至Schlenk线。用橡胶隔垫密封剩余的接口。在所有玻璃-玻璃接头处涂抹高真空润滑脂。将RBF加热至150 °C，并在800 RPM搅拌条件下抽真空1.5 h以除气。</li>
	<li>取1.8 mL TOP-S储备溶液加入10 mL单颈RBF中，并用橡胶隔垫密封。将80 nmol的纤锌矿CdSe量子点（QDs）溶于甲苯后加入TOP-S溶液中，随后在70 °C下抽真空除去甲苯。继续在800 RPM搅拌条件下使溶液进一步除气30 min。</li>
	<li>将含有Cd前驱体的RBF置于氮气氛围中，并升温至350 °C。当温度达到320 °C时，通过橡胶隔垫向RBF中加入1.8 mL TOP。</li>
	<li>当温度升至350 °C时，用注射器吸取含有w-CdSe QDs的TOP-S溶液，并迅速注入含有Cd前驱体的RBF中。继续在800 RPM下搅拌6 min，使纳米棒（NRs）生长。随后移去加热套，在环境条件下冷却至室温。</li>
	<li>对所得NRs溶液进行处理：向生长后的溶液中加入2 mL甲苯，并将全部混合物转移至50 mL离心管中。加入30 mL甲醇，随后在2,240 × g下离心3 min，弃去上清液。</li>
	<li>向沉淀物中加入5 mL甲苯以重新分散NRs。进行进一步的处理循环：使用30 mL甲醇沉淀NRs，在2,240 × g下离心3 min，弃去上清液，再用5 mL甲苯重新分散NRs。
	<ol>
		<li>经过2–3次处理循环后，将NRs分散于5 mL甲苯中（此后称为NR储备溶液），以供后续使用。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>制备用于透射电子显微镜（TEM）分析的样品。5
	<ol>
		<li>取一滴NR溶液滴加到覆盖有连续碳膜的300目铜网上，用于电子显微镜分析。</li>
		<li>用吸水滤纸吸去多余液体，并在室温下干燥样品。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>进行TEM成像（及分析），测定NRs的尺寸，从而确定NRs的平均体积以及每个NR所含CdS的摩尔数。
	<ol>
		<li>取20 µL处理后的NRs溶液加入3 mL甲苯中，测定其在350 nm处的吸光度，并利用该波长下已知的摩尔吸光系数（假设主要由CdS贡献）9计算NRs的浓度。根据稀释倍数对储备溶液的浓度进行换算。 
		注：典型合成条件下，NRs的产率接近100%，副产物（如分支结构）极少。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. CdSe 种子 CdSe 纳米棒的合成
注：参见8。
<ol>
	<li>在三口圆底烧瓶中混合 1.035 g CdO、0.1657 g HPA、0.1543 g 正十四烷基膦酸（TDPA）和 3 g TOPO。向混合物中加入磁力搅拌子，并通过打孔的橡胶隔垫将温度探头插入圆底烧瓶。在圆底烧瓶上安装回流冷凝管，并通过适配器将其连接至施兰克线。用橡胶隔垫密封剩余的接口。在所有玻璃-玻璃接头处涂抹高真空润滑脂。</li>
	<li>在 800 RPM 恒定搅拌下，于 150 °C 对溶液抽真空处理 1.5 小时。</li>
	<li>另取一个单口圆底烧瓶，加入 2 mL TOPSe 储备液和 10 nmol w-CdSe 量子点（分散于甲苯中），在油浴中于 800 RPM 恒定搅拌下于 90 °C 抽真空，直至完全除去甲苯。</li>
	<li>抽真空后，将镉前驱体混合物升温至 340 °C。随着温度升高，观察溶液颜色由深棕色变为无色，表明已形成镉-烷基膦酸配合物。</li>
	<li>当镉前驱体温度达到 340 °C 时，迅速向混合物中注入 1.8 mL TOP，并使温度恢复至 340 °C。</li>
	<li>当温度回升至 340 °C 时，迅速将 1.8 mL TOP-Se/CdSe 量子点混合液注入三口圆底烧瓶中，此时温度将下降至 320 °C。待温度恢复至 340 °C 后，维持反应溶液在此温度下约 3 分钟，随后移去加热套，使溶液在常温条件下冷却至室温。</li>
	<li>待反应液冷却至室温后，加入 2 mL 甲苯，并将全部溶液转移至 50 mL 离心管中。用甲醇（99%）定容至 50 mL，以 2,240 × g 离心 3 分钟，随后弃去上清液。</li>
	<li>向沉淀中加入 5 mL 甲苯以重新分散纳米棒（NRs）。进行进一步处理循环：使用 30 mL 甲醇（99%）沉淀纳米棒，以 2,240 × g 离心 3 分钟，弃去上清液，再将纳米棒重新分散于 5 mL 甲苯中。
	<ol>
		<li>经过 2–3 次处理循环后，将纳米棒分散于 5 mL 甲苯中（此后称为纳米棒储备液），以供后续使用。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>取一滴纳米棒溶液滴加在覆盖连续碳膜的 300 目铜网上，用于电子显微镜分析。用吸水纸吸去多余液体，并在室温下干燥样品。</li>
	<li>进行透射电子显微镜（TEM）成像与分析，测定纳米棒的尺寸，从而确定单根纳米棒的平均体积以及每根纳米棒所含 CdSe 的摩尔数。
	<ol>
		<li>取 20 µL 储备液加入 3 mL 甲苯中，测定其在 350 nm 处的吸光度，并利用该波长下已知的摩尔吸光系数6计算浓度。根据储备液的稀释倍数对浓度进行换算。 
		注意：典型合成条件下，纳米棒产率接近 100%，副产物（如分支结构）极少。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. CdSe种晶CdSe TP的合成
注：参见10。
<ol>
	<li>在三口圆底烧瓶中混合 0.43 g CdO、3.8 mL 油酸（OA）、2.2 mL 十八烯（ODE）和 0.3 mL 三辛基膦（TOP）。向混合物中加入磁力搅拌子，并通过打孔的橡胶隔垫将温度探头插入圆底烧瓶。在圆底烧瓶上安装回流冷凝管，并通过适配器连接至施伦克线。用橡胶隔垫密封剩余的接口。在所有玻璃-玻璃接头处涂抹高真空润滑脂。</li>
	<li>在 800 RPM 恒定搅拌下，于 90 °C 对溶液抽真空处理 1 小时，随后将温度升至 265 °C。当温度达到 265 °C 时，观察溶液颜色由深棕色变为无色，表明已形成油酸镉配合物。</li>
	<li>将温度降至 50 °C，加入 1.7 mL 2 M TOPSe 溶液（另取 0.316 g 硒粉与 2 mL TOP 在 8 mL 玻璃小瓶中混合，于 37 kHz 和 320 W 条件下超声处理制得）以及 0.017 g 十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）。</li>
	<li>另取一个三口圆底烧瓶，加入 7 mL ODE、0.025 g CTAB、0.5 mL TOP、0.75 mL OA 和 100 nmol 闪锌矿结构 CdSe 量子点（分散于甲苯中）。向混合物中加入磁力搅拌子，并通过打孔的橡胶隔垫将温度探头插入圆底烧瓶。
	<ol>
		<li>在圆底烧瓶上安装冷凝管，并通过适配器连接至施伦克线。用橡胶隔垫密封剩余的接口。在所有玻璃-玻璃接头处涂抹高真空润滑脂。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>对步骤 5.4 中制备的混合物在 90 °C 和 800 RPM 恒定搅拌下抽真空处理约 45 分钟，直至完全除去甲苯。</li>
	<li>将含有闪锌矿结构 CdSe 量子点的反应混合物加热至 260 °C。当温度达到 260 °C 时，使用注射泵以 0.25 mL/min 的速率向该混合物中加入 8 mL 镉前驱体溶液。加料完成后，使溶液在常温条件下自然冷却至室温。</li>
	<li>待溶液冷却至室温后，转移至 50 mL 离心管中。加入 40 mL 丙酮（99%）使三足结构体（TPs）沉淀，随后在 1,340 × g 条件下离心 10 分钟。弃去上清液。</li>
	<li>向 TPs 沉淀中加入 5 mL 甲苯以重新分散。进行进一步的处理循环：使用 30 mL 甲醇（99%）沉淀 TPs，在 2,240 × g 条件下离心 3 分钟，弃去上清液，再将 TPs 重新分散于 5 mL 甲苯中。
	<ol>
		<li>经过 2–3 次处理循环后，将 TPs 分散于 5 mL 甲苯中（此后称为 TP 储备液），以供后续使用。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>取一滴 TP 溶液滴加在覆盖连续碳膜的 300 目铜网上，用于电子显微镜分析。用滤纸吸除多余液体，并在室温下干燥样品。</li>
	<li>进行透射电子显微镜（TEM）成像与分析，测定 TPs 的尺寸，从而确定单个 TP 的平均体积及每个 TP 所含 CdSe 的摩尔数。
	<ol>
		<li>取 20 µL 储备液加入 3 mL 甲苯中，测定溶液中量子点的浓度。</li>
		<li>测量 350 nm 处的吸光度，并利用该波长下的已知摩尔吸光系数6计算浓度。根据储备液的稀释倍数对浓度进行换算。
		 
		注意：典型合成条件下，TPs 的产率约为 80%，其中约 20% 为双足和三足结构体。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
6. 纳米结构的晶面活化与连接
<ol>
	<li>十二胺（DDA）储备液的制备。
	<ol>
		<li>通过将0.140 g DDA加入5 mL乙醇中配制DDA储备液。在37 kHz和320 W条件下超声处理约5分钟，以确保DDA完全溶解。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>阳离子交换与连接。
	<ol>
		<li>配制1 mL适当浓度的NC（NR或TP）溶液（见表1）。向1 mL NC溶液中加入6 mg ODPA，并在37 kHz和320 W条件下超声处理10分钟。</li>
		<li>另取一个样品瓶，将1 mL DDA储备液与1 mL适当浓度的Ag+溶液（见表1）混合。加入一个磁力搅拌子，并以800 RPM的速度剧烈搅拌溶液。</li>
		<li>在持续搅拌的同时，将1 mL NC溶液加入该样品瓶中，并按照表1所列时间进行反应。</li>
		<li>反应结束后停止搅拌，静置使溶液分相。吸出并弃去下层水相。向有机相中加入5 mL甲醇，使NC沉淀析出。将样品瓶在2,240 × g条件下离心3分钟。</li>
		<li>离心后弃去上清液，加入1 mL甲苯重新分散产物，用于后续表征。 
		注意：阳离子交换反应在不同材料中的反应速率不同。表1总结了其他材料和形貌的连接纳米结构合成所采用的反应条件。每组反应中，NC溶液（1 mL）、水相Ag+溶液（1 mL）、乙醇-DDA溶液（1 mL）的体积以及所加ODPA的量（6 mg）均保持一致，如上所述。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Figuerola, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((End-to-End+Assembly+of+Shape-Controlled+Nanocrystals+via+a+Nanowelding+Approach+Mediated+by+Gold+Domains%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mat%22%5BJournal%5D)">End-to-End Assembly of Shape-Controlled Nanocrystals via a Nanowelding Approach Mediated by Gold Domains.</a> Adv. Mat. 21, 550-554 (2009).</li>
<li>Tang, Z., Kotov, N. A., Giersig, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spontaneous+Organization+of+Single+CdTe+Nanoparticles+into+Luminescent+Nanowires%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Spontaneous Organization of Single CdTe Nanoparticles into Luminescent Nanowires.</a> Science. 297, 237-240 (2002).</li>
<li>Kim, D., Kim, W. D., Kang, M. S., Kim, S. -H., Lee, D. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-Organization+of+Nanorods+into+Ultra-Long+Range+Two-Dimensional+Monolayer+End-to-End+Network%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Self-Organization of Nanorods into Ultra-Long Range Two-Dimensional Monolayer End-to-End Network.</a> Nano Lett. 15, 714-720 (2015).</li>
<li>Schliehe, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrathin+PbS+Sheets+by+Two-Dimensional+Oriented+Attachment%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Ultrathin PbS Sheets by Two-Dimensional Oriented Attachment.</a> Science. 329, 550-553 (2010).</li>
<li>Chakrabortty, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Facet+to+facet+Linking+of+Shape+Anisotropic+Inorganic+Nanocrystals+with+Site+Specific+and+Stoichiometric+Control%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Facet to facet Linking of Shape Anisotropic Inorganic Nanocrystals with Site Specific and Stoichiometric Control.</a> Nano Lett. 16, 6431-6436 (2016).</li>
<li>Leatherdale, C. A., Woo, W. K., Mikulec, F. V., Bawendi, M. G. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp025698c">On the Absorption Cross Section of CdSe Nanocrystal Quantum Dots.</a> J Phys Chem B. 106, 7619-7622 (2002).</li>
<li>Dabbousi, B. O., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp971091y">(CdSe)ZnS Core-Shell Quantum Dots: Synthesis and Characterization of a Size Series of Highly Luminescent Nanocrystallites.</a> J Phys Chem B. 101, 9463-9475 (1997).</li>
<li>Carbone, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+and+Micrometer-Scale+Assembly+of+Coilloidal+CdSe%2FCdS+Nanorods+Prepared+by+Seeded+Grwoth+Approach%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Synthesis and Micrometer-Scale Assembly of Coilloidal CdSe/CdS Nanorods Prepared by Seeded Grwoth Approach.</a> Nano Lett. 7, 2942-2950 (2007).</li>
<li>Shaviv, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Absorption+properties+of+Metal-Semiconductor+Hybrid+Nanoparticles%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Absorption properties of Metal-Semiconductor Hybrid Nanoparticles.</a> ACS Nano. 5, 4712-4719 (2011).</li>
<li>Lim, J., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/cm3035592">Controlled Synthesis of CdSe Tetrapods with High Morphological Uniformity by the Persistent Kinetic Growth and the Halide-Mediated Phase Transformation.</a> Chem Mat. 25, 1443-1449 (2013).</li>
</ol>

我们没有需要披露的内容。

本研究中描述的连接技术可实现形状各向异性的硫族镉纳米颗粒通过与 Ag+ 发生阳离子交换，以面-面方式连接成组装结构，例如线性链或分支网络。无法形成良好分散且大范围的面-面连接纳米颗粒组装体通常由两个原因造成：（i）ODPA 在含纳米棒的溶液中分散不充分，可通过按照方案中规定的时间对混合物进行超声处理来解决；或（ii）所用 Ag+ 浓度非最佳。当所用 Ag+ 浓度过低时，大多数硫族镉纳米颗粒无法发生阳离子交换，导致连接极少甚至完全不发生（如代表性结果部分所述）。当所用 Ag+ 浓度过高时，每个颗粒上会形成多个 Ag2S 区域，导致连接时发生严重聚集。
目前，我们实现形状各向异性无机纳米粒子面-面连接的方法仅限于在温和反应条件下能够与 Ag+ 或 Cu+ 发生阳离子交换的金属硫族化合物纳米粒子（本研究中未展示）。目前正在进行相关研究，以拓展可直接通过本合成策略实现连接的无机材料种类。我们此前已证明，面...

胶体半导体纳米晶体（NC）的定向组装为构建纳米结构提供了一条合成途径，这些纳米结构的理化性质要么是其单个NC结构单元性质的总和，要么与之截然不同1,2,3,4。在多种纳米粒子组装方法中，取向附着法——即纳米晶体实质上相互融合——尤为突出，因其能够实现粒子间的电子耦合。然而，传统的取向附着通常需要精细调控粒子偶极、配体和溶剂相互作用之间的平衡，这类操作普遍难以实施，并且难以推广应用于不同的NC体系。
我们最近开发了一种湿化学方法，通过位点选择性成核过程引入反应性无机中间体，实现形状各向异性的硫化镉纳米晶体（NCs）之间的共价连接。随后，这些纳米晶体通过反应性无机中间体区域的自发融合而连接起来5。尽管该技术仍基于取向附着机制，但对粒子间弱相互作用的依赖显著降低，从而提供了更高的灵活性和可控性。形状各向异性的硫化镉纳米晶体的连接首先通过部分阳离子交换反应（在溶液中）将其尖端晶面转化为硫化银；随后选择性去除表面钝化配体。纳米晶体通过暴露的硫化银晶面融合而结合，形成端对端连接的硫化镉纳米晶体组装体。
在本方案中，我们证明了该连接技术可应用于多种形状各向异性的硫族化镉纳米晶体（NCs）即， CdSe种子的CdS纳米棒和CdSe种子的CdSe纳米棒或分支结构（TPs），生成长的线性纳米棒链或高度分支的TP网络。这些结果表明，该技术可拓展至多种纳米晶体形貌及适用于银阳离子交换的金属硫属化合物。

<table><tbody><tr><td>氧化镉（CdO），99.5%</td><td>Sigma Aldrich</td><td></td><td>剧毒</td></tr><tr><td>三正辛基氧化膦（TOPO），90% 和 99%</td><td>Sigma Aldrich</td><td></td><td>工业级和分析级</td></tr><tr><td>乙酰丙酮镉（Cd(acac)&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;），99.9%</td><td>Sigma Aldrich</td><td></td><td>剧毒</td></tr><tr><td>十六烷二醇（HDDO），90%</td><td>Sigma Aldrich</td><td></td><td>工业级</td></tr><tr><td>1-十八烯（ODE），90%</td><td>Sigma Aldrich</td><td></td><td>工业级</td></tr><tr><td>十二胺（DDA），98%</td><td>Sigma Aldrich</td><td></td><td>有毒</td></tr><tr><td>四水合硝酸镉（(CdNO&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;)&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;·4H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O），98%</td><td>Sigma Aldrich</td><td></td><td>剧毒</td></tr><tr><td>肉豆蔻酸（MA），99%</td><td>Sigma Aldrich</td><td></td><td>分析级</td></tr><tr><td>辛基膦酸（OPA），97%</td><td>Sigma Aldrich</td><td></td><td>分析级</td></tr><tr><td>油胺（Oly），70%</td><td>Sigma Aldrich</td><td></td><td>工业级</td></tr><tr><td>十六烷基三甲基溴化铵（CTAB），95%</td><td>Sigma Aldrich</td><td></td><td>有毒</td></tr><tr><td>硒颗粒（Se，5 mm），99.99%</td><td>Sigma Aldrich</td><td></td><td>分析级</td></tr><tr><td>十六胺（HDA），90%</td><td>Alfa Aesar</td><td></td><td>工业级，有毒</td></tr><tr><td>十四烷基膦酸（TDPA），98%&amp;nbsp;</td><td>Alfa Aesar</td><td></td><td>分析级</td></tr><tr><td>硝酸银（AgNO&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;），99.9%</td><td>Alfa Aesar</td><td></td><td>分析级</td></tr><tr><td>油酸（OA），90%</td><td>Alfa Aesar</td><td></td><td>工业级</td></tr><tr><td>三正辛基膦（TOP），97%</td><td>Strem</td><td></td><td>分析级，有毒，对空气敏感</td></tr><tr><td>正己基膦酸（HPA），97%</td><td>Strem</td><td></td><td>分析级</td></tr><tr><td>正十八烷基膦酸（ODPA），97%</td><td>Strem</td><td></td><td>分析级</td></tr><tr><td>碲粉（Te），99.9%</td><td>Strem</td><td></td><td>对空气敏感</td></tr><tr><td>三正丁基膦（TBP），99%</td><td>Strem</td><td></td><td>分析级，剧毒，对空气敏感</td></tr><tr><td>二异辛基膦酸（DIPA），90%</td><td>Fluka</td><td></td><td>工业级，有毒</td></tr></tbody></table>

形状各向异性的胶体硫化镉纳米结构的面-面连接

Facet-to-facet Linking of Shape-anisotropic Colloidal Cadmium Chalcogenide Nanostructures

本文描述了一种可实现形状各向异性的镉族化合物纳米晶体（NCs），例如纳米棒（NRs）和四足体（TPs），通过其端面进行共价且位点特异性连接，形成类似聚合物的线性或支化链结构的实验方案。该连接过程始于阳离子交换步骤，首先将镉族化合物纳米晶体的端面转化为硫银化合物。随后选择性地去除其表面配体，从而获得具有高反应活性硫银化合物端面的镉族化合物纳米晶体，这些端面在相互接触时可自发融合，实现纳米晶体之间端面对端面的连接。通过精确调控前驱体浓度，可形成广泛的纳米晶体连接网络。对连接后的纳米晶体进行结构表征，采用低倍与高分辨透射电子显微镜（TEM）以及能量色散X射线光谱分析，结果证实了在镉族化合物纳米晶体链之间存在硫银化合物区域。

以 CdSe 种子生长的 CdS 纳米棒（NRs）为模型体系，如图 1(a) 所示，我们证明了可以通过部分 Ag+ 交换过程，特异性地将纳米棒尖端的晶面转化为 Ag2S。Ag2S 晶面被二癸基胺（DDA）封端，DDA 与油基磷酸（ODPA）通过酸碱反应生成不溶性盐5。这导致 DDA 配体从 Ag2S 晶面上脱除，使得纳米棒在接触时相互融合，形成连接的纳米棒链，如图 1(b) 所示。为了确定纳米棒链中的单个纳米棒是真正融合在一起，还是仅通过范德华力结合，我们对连接区域进行了高分辨透射电子显微镜（HRTEM）分析。如图 1(c) 所示，在两个纳米棒的外延接触处存在一...

本文介绍了一种通过各向异性胶体硒化镉纳米晶体的端面将其共价连接的详细方案。

在此，我们描述了一种可用于制备形貌各向异性的硫族化镉纳米晶体（NCs）的实验方案，例如纳米棒（NRs）和四足状纳米晶（TPs）。

本合成方案的总体目标是通过定向附着过程，将具有形状各向异性的胶体半导体纳米晶体以晶面相对的方式连接起来。尽管该方法有望解决胶体纳米粒子在光电子领域中的一些关键问题，例如在保持溶液加工能力的同时改善粒子间电荷传输的需求。该技术的主要优势在于，这种晶面相对连接过程可适用于各种形状和尺寸的半导体纳米粒子。我们在观察各向异性半导体纳米晶体在特定反应和条件下进行交换反应时出现的取向附着迹象后，首次提出了该方法的构想。演示该实验步骤的是来自我实验室的研究生Xuanwei Ong和Shashank Gupta。首先，将TOPO、氧化镉、己基膦酸和十八烷基膦酸加入一个15毫升三颈圆底烧瓶中。将磁力搅拌子加入混合物后，通过一个打孔的橡胶隔垫插入温度探头，并用该隔垫密封烧瓶的一个接口。将回流冷凝管安装到圆底烧瓶上，并通过适配器连接，然后用橡胶隔垫密封剩余的接口。在所有玻璃磨口接头处涂抹高真空润滑脂后，将搅拌中的混合物加热至 150 °C，并在真空条件下放置一个半小时以除去气体。接下来，将1.8毫升预先配制的TLP硫化物储备溶液加入一个10毫米单颈圆底烧瓶中，并用橡胶隔垫密封。向烧瓶中加入80纳米摩尔预先制备的纤锌矿型硫化镉量子点碲溶液，随后在70摄氏度下真空除去碲。继续在800转/分钟搅拌条件下脱气30分钟。将装有镉前驱体的圆底烧瓶置于氮气氛围下，并升温至350摄氏度。当温度升至320摄氏度时，通过橡胶隔垫向圆底烧瓶中加入1.8毫升TLP。当温度达到350摄氏度时，用注射器吸取含有量子点的TLP硫化物溶液，并迅速注入装有镉前驱体的圆底烧瓶中。以800 RPM转速继续搅拌溶液额外六分钟，以促进纳米棒的生长。随后，移去加热套，使溶液在常温条件下冷却至室温。为处理纳米棒溶液，向生长溶液中加入2毫升Telluwin，并将整个混合物转移至50毫升离心管中。向混合物中加入 30 毫升甲醇。然后，将所得悬浮液在 2,240 × g 条件下离心 3 分钟。弃去上清液后，向沉淀物中加入 5 毫升 Telluwin 以分散纳米棒。经过前述处理步骤的两到三个循环后，将纳米棒分散于 5 毫米的 Telluwin 中以供后续使用。接着，取一滴纳米棒溶液滴加到覆有连续碳膜的 300 目铜网上，用于电子显微镜分析。用吸水纸吸去多余溶液，并让样品在室温下自然干燥。现在，通过将20微升处理后的硒化镉种子硫化镉纳米棒加入到3毫升Telluwin中，测定储备液中硒化镉种子硫化镉纳米棒的浓度。测量350纳米处的吸光度，并利用该波长下已知的摩尔吸光系数计算纳米棒的浓度。通过将0.14克十二胺加入5毫升乙醇中，配制十二胺储备溶液。将溶液在 37 千赫和 320 瓦条件下超声处理约五分钟，以确保溶液充分分散。随后，制备一毫升适当浓度的纳米晶体溶液。向纳米晶体溶液中加入六毫克十八烷基磷酸，然后在 37 千赫和 320 瓦条件下超声处理 10 分钟。在超声处理的同时手动搅拌溶液混合物，因为这一步骤对于将十八烷基膦酸完全溶解在纳米晶体溶液中至关重要。在另一个小瓶中，加入一毫升适当浓度的硝酸银溶液和一毫升十二胺储备溶液。放入一个磁力搅拌子，在800 RPM条件下剧烈搅拌溶液；在持续搅拌的同时，向该小瓶中加入一毫升纳米晶体溶液，并根据文本方案所述，使反应进行适当的时间。反应结束后，停止搅拌，静置使溶液分层，随后移除下层水相。向有机相中加入5 mL甲醇，使纳米晶体析出。然后，将混合物在 2,240 × g 条件下离心 3 分钟。弃去上清液后，加入 1 毫升 tellurite 以重新分散产物，用于进一步表征。以硒化镉种子硫化镉纳米棒为模型体系，展示了通过部分银离子交换过程将纳米棒尖端晶面转化为硫化银尖端的方法。与十八烷基膦酸反应后，十二胺配体从表面解吸，晶面相互融合并形成连接的纳米棒链。通过杂化溶液，在连接区域进行透射电子显微镜分析，显示出硫化银区域以及两个纳米棒之间的硫醇连接接触。首次傅里叶变换分析揭示出两个晶格常数，可归属于硫化银和硫化镉的001晶面。对连接区域进行EDX分析显示存在银且不存在镉。通过直方图可以直观展示连接过程的产率和统计特性，该直方图显示了纳米棒链中连接的纳米棒数量。在没有十八烷基膦酸的情况下，未观察到任何连接现象，直方图显示出大量未连接的单根纳米棒。银离子浓度较低时，仅得到短链。连接统计结果显示，短链主要由大量二聚体构成，其次为单体。这种银介导的连接过程可拓展至硒化镉种子的硒化镉纳米棒和四脚体结构。在适当条件下，可获得由这些纳米棒和四足状纳米晶组成的类似链状网络结构。一旦掌握该技术，若操作得当，可在三小时内完成。在实施该过程时，需特别注意确保所用试剂的纯度与本方案中列出的试剂一致，因为杂质会显著影响合成结果。完成此操作后，可进一步采用其他方法（如动态光散射）来回答更多问题，例如：溶液中连接后的纳米颗粒的流体动力学尺寸是多少。观看本视频后，您应能够充分理解如何通过基于解毒交换的方法实现各向异性半导体纳米晶体的连接。请务必注意，操作基于镉的纳米晶体可能具有极高危险性，因此在执行该实验时，必须采取适当预防措施，例如佩戴合适的个人防护装备。

facet-to-facet-linking-shape-anisotropic-colloidal-cadmium

Research

科研

JoVE Journal

Chemistry

化学

形状-各向异性胶体镉硫纳米结构的 Facet-to-facet 连接

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受折纸启发的图案化与可重构颗粒自组装

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CdSe/CdS棒状和四足体纳米晶的种子法合成

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超分子胶体的合成与表征

我们提出一种简单的二氧化硅胶体纳米粒子自组装技术，用于在聚二甲基硅氧烷（PDMS）中的两个微通道之间构建纳米流体结。利用该技术，可在微通道内构建孔径低至约45...

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利用胶体光刻技术制备周期性金纳米杯阵列

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通过可生物降解嵌段共聚物的结晶驱动自组装合成单分散柱状纳米粒子

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零模波导的制备用于高浓度单分子显微镜观察

学习通过面-面定向连接技术合成形状各向异性胶体半导体纳米晶体的方法。该方案利用银离子交换反应实现纳米晶体共价连接，在保持溶液可加工性的同时显著提升粒子间电荷传输效率，适用于纳米棒和四足体等多种形貌。

形状各向异性的胶体硫化镉纳米结构的面-面连接

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