Synthese, Charakterisierung und Funktionalisierung von Hybrid Au / CdS und Au / ZnS Kern / Schale-Nanopartikel

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, Goldnanopartikel herzustellen, die mit einer Hülle aus einem Halbleiter mit großer Bandlücke überzogen sind. Als Hüllmaterial kommt entweder Cadmiumsulfid oder Zinksulfid infrage, wobei die Dicke der Hülle einstellbar sein sollte. Diese Technik überwindet die große Gitterfehlpassung zwischen Kern und Hülle, indem eine Vier-Schritt-Kationenaustauschtechnik zur Bildung der Hüllen verwendet wird.

Der Hauptvorteil dieser Technik liegt in der Fähigkeit, hochmonodisperse Gold-Kern-Schalen-Nanopartikel mit exakter Kontrolle über die Schalendicke herzustellen. Die mit dieser Technik erzeugten Nanopartikel könnten als plasmonische Elemente eingesetzt werden, die mit Absorbern in optoelektronischen Systemen gekoppelt sind, da die Schale mit großer Bandlücke eine präzise Abstimmung der Wechselwirkungsabstände ermöglicht. Durch die gezielte Einstellung dieser Wechselwirkungen können Verluste begrenzt und die Absorptions- oder Emissionsgewinne maximiert werden, was Einblicke in das Potenzial der Exziton-Plasmon-Kopplung für eine Vielzahl von Anwendungen bietet.

Um die Synthese von Goldnanopartikeln zu beginnen, wiegen Sie im Handschuhkasten Goldsalz in ein zuvor mit Königswasser gereinigtes Gefäß, bevor Sie es in einem Messkolben mit 100 Milliliter Wasser verdünnen. Geben Sie anschließend 3,2 Gramm festes Cetyltrimethylammoniumchlorid (CTAC) hinzu und erhitzen Sie die Mischung in 25 Milliliter Wasser auf etwa 60 Grad Celsius, um sie aufzulösen. Kühlen Sie das Gemisch auf Raumtemperatur ab und verdünnen Sie es in einem Messkolben mit Wasser auf 50 Milliliter, um eine 0,2-molare CTAC-Lösung herzustellen.

Mischen Sie 20 Milliliter einer einmillimolaren Goldlösung und 20 Milliliter einer 0,2-molaren CTAC-Lösung in einem Rundkolben. Lassen Sie die Mischung zehn Minuten lang in einem Ölbad bei 60 Grad Celsius umrühren. Geben Sie anschließend 1,7 Milligramm festes Boran-tert-butylamin zur Gold-CTAC-Lösung hinzu und lassen Sie die Mischung 30 Minuten lang rühren.

Die Lösung sollte sich tiefrot färben. Die resultierende Lösung weist eine Goldpartikelkonzentration von etwa 5 µM auf und kann monatelang gelagert oder unmittelbar für die nächste Reaktionsphase verwendet werden. Anschließend wird die Silberlösung tropfenweise zur Gold- und Ascorbinsäurelösung gegeben, und die Reaktion wird zwei Stunden unter Rühren durchgeführt.

In einem Ölbad mit 70 Grad Celsius mischen Sie 10 Milliliter Gold-Nanopartikel-Stammlösung mit Ascorbinsäure, um eine 20 Millimolar-Lösung herzustellen. Bereiten Sie anschließend eine 4,0-Millimolar-Lösung aus Silbernitrat in fünf Milliliter Wasser vor. Die Reaktion verfärbt sich im Verlauf der Reaktionszeit je nach Schichtdicke von hellorange bis dunkelorange.

Zentrifugieren Sie die Nanopartikel bei 21.130 ×g für zehn Minuten und dispergieren Sie sie anschließend erneut in sauberem Wasser. Dekantieren Sie das Überstandsvolumen von den pelletierten Nanopartikeln, um die Entfernung von ungebundenen Gold-Nanopartikeln oder Silber-Nanopartikeln zu unterstützen, die möglicherweise gebildet wurden. Wiegen Sie elementaren Schwefel im molaren Verhältnis von 200 zu eins gegenüber dem im vorherigen Schritt des Experiments verwendeten Silber ab.

Für zehn Milliliter Gold-Silber-Kern-Schale-Partikel mit einer fünf Nanometer dicken Schale werden 1,5 Milliliter Ölsäure und drei Milliliter Oleylamin in zehn Milliliter Toluol gelöst. Nach dem Lösen sollte die Lösung eine hellgelbe Farbe aufweisen. Restwasser kann die Löslichkeit sowohl der Nanopartikel als auch der freien tensidaktiven Moleküle stören und möglicherweise zu einer irreversiblen Aggregation der Goldnanopartikel führen.

Um die Entfernung von Wasser während des nächsten Reinigungsschritts sicherzustellen, konzentrieren Sie die Silberkolloide durch Zentrifugation bei 21.130 ×g für zehn Minuten. Lösen Sie die Silberkolloide in einem Milliliter Wasser wieder auf. Dies trägt dazu bei, die Effizienz der Extraktion aus der wässrigen Phase in die organische Phase bei der Bildung der Silberschale zu erhöhen.

Fügen Sie die Kolloide unter Rühren tropfenweise zur Schwefellösung hinzu und rühren Sie eine Stunde lang. Die Lösung färbt sich dunkelblau bei dünneren Schalen und violett bei dickeren Schalen, wenn die Sulfurierung abgeschlossen ist. Geben Sie vor der Zentrifugation das gleiche Volumen 70-prozentigen Ethanol hinzu.

Zentrifugieren Sie die kolloidale Lösung nach zweistündiger Reaktionsrührung bei 4.000 ×g für 10 Minuten, um Wasser und nicht umgesetzten Schwefel aus der Lösung zu entfernen. Überschüssiges Oleylamin oder Ölsäure kann aus der Lösung ausfallen und nach diesem Schritt entfernt werden, indem die Lösung vom weißen Feststoff abdekantiert wird. Falls erforderlich, redispergieren Sie die Nanopartikel durch Beschallung in einem Ultraschallbad für 30 Sekunden bis eine Minute, um sie in Toluol zu dispergieren.

Stellen Sie das Metallvorläuferprodukt her, indem Sie das Metallnitrat in einem Milliliter Methanol lösen, um eine 0,2-molare Lösung aus Cadmiumnitrat oder Zinknitrat herzustellen. Mischen Sie die Metalllösung mit den Nanopartikeln mit Silbersulfid-Schale im molaren Verhältnis eins zu eins bezüglich des Silbers. Erhitzen Sie die Mischung unter einer Stickstoffatmosphäre auf 50 Grad Celsius für die Cadmiumschale und auf 65 Grad Celsius für die Zinkschalen.

Fügen Sie anschließend Tributylphosphin im molaren Verhältnis von 500 zu eins zum metallhaltigen Vorläufer hinzu. Reinigen Sie durch Zentrifugation bei 21.130 ×g über zehn Minuten, um eventuell gebildete isolierte Cadmiumsulfid- oder Zinksulfid-Nanopartikel zu entfernen. Dispergieren Sie die pelletierten Nanopartikel in einem sauberen, unpolaren Lösungsmittel wie Hexan, Toluol oder Chloroform.

Hier gezeigte Durchstrahlungselektronenmikroskopie- (TEM-)Aufnahmen von Goldnanopartikeln, die mit CTAC als Tensid synthetisiert wurden. Die Nanopartikel waren einkristallin mit einem Durchmesser von 16 Nanometern und einer Standardabweichung von 0,4 Nanometern. Die Dicke der Silberschale kann mittels UV-Vis-Absorptionsspektroskopie überwacht werden.

In dieser Abbildung nimmt die Silberdicke von Schwarz bis Hellblau zu. Das Oberflächenplasmon von Gold-Nanopartikeln verschiebt sich zu höheren Energien, wenn die Dicke der Silberschale zunimmt. Hier sind TEM-Aufnahmen von Gold-Nanopartikeln mit Silberschalen dargestellt.

Silber wird auf den Goldkern aufgebracht, um eine Vorlage für die anschließende Halbleiterschale zu schaffen. Die Schalen werden auf einen Radius von drei bis sieben Nanometern abgestimmt. Im nächsten Schritt werden die mit Silber beschichteten Nanopartikel mit Schwefel behandelt, um eine Silbersulfidschale zu bilden.

Die resultierenden Schalen sind tendenziell etwas größer als die vorherigen Silberschalen, jedoch gleichmäßig verteilt. Schließlich kann Cadmium, in diesem Beispiel, oder Zink verwendet werden, um die Silberionen zu ersetzen und eine halbleitende Schicht aus Cadmiumsulfid oder Zinksulfid zu erzeugen. Die resultierende Schicht ist einkristallin und besitzt einen Radius, der dem Silber-Radius aus dem ersten Beschichtungsschritt entspricht.

Wenn man die Technik einmal beherrscht, kann sie bei ordnungsgemäßer Durchführung in sieben bis acht Stunden durchgeführt werden. Bei der Durchführung dieses Verfahrens ist es wichtig, das gesamte Glaswerk vor der Verwendung gründlich mit Königswasser zu reinigen. Nach dem Anschauen des Videos sollten Sie in der Lage sein, wässrige Goldnanopartikel mit Cadmium- oder Zinksulfid zu beschichten.

Die Goldnanopartikel werden mit Silber beschichtet, das in Silbersulfid umgewandelt wird. Schließlich wird das Silber durch Cadmium oder Zink ersetzt.