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

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, Goldnanopartikel herzustellen, die mit einer Halbleiterhülle mit großer Bandlücke überzogen sind. Das Schalenmaterial kann entweder Cadmium- oder Zinksulfid sein, und die Dicke sollte einstellbar sein. Diese Technik überwindet die große Gitterfehlanpassung zwischen Kern und Schale, indem sie eine vierstufige Kationenaustauschtechnik verwendet, um die Schalen zu bilden.

Der Hauptvorteil dieser Technik ist die Fähigkeit, hochgradig monodisperse Nanopartikel mit Goldkernschalen mit hervorragender Kontrolle der Schalendicke herzustellen. Die mit dieser Technik hergestellten Nanopartikel könnten als plasmonische Elemente verwendet werden, die an Absorber in optoelektronischen Systemen koppeln, da die große Bandlücke eine präzise Abstimmung der Wechselwirkungsabstände ermöglicht. Die Abstimmung der Wechselwirkungen auf diese Weise ermöglicht es uns, Verluste zu begrenzen und Absorptions- oder Emissionsgewinne zu maximieren und Einblicke in das Potenzial der Exzitonen-Plasmonenkopplung für eine Reihe von Anwendungen zu erhalten.

Um mit der Synthese von Goldnanopartikeln zu beginnen, wird das Goldsalz in einem Handschuhfach in einem Fläschchen gewogen, das zuvor mit Königswasser gereinigt wurde, bevor es in einem Messkolben mit 100 Millilitern Wasser verdünnt wird. Fügen Sie dann 3,2 Gramm festes Cetyltrimethylammoniumchlorid (CTAC) hinzu und erhitzen Sie 25 Milliliter Wasser auf etwa 60 Grad Celsius zur Auflösung. Die Mischung wird auf Raumtemperatur abgekühlt und in einem Messkolben mit Wasser auf 50 ml verdünnt, um eine 0,2-molare CTAC-Lösung herzustellen.

20 Milliliter einer millimolaren Goldlösung und 20 Milliliter 0,2 molare CTAC-Lösung werden in einem Siedekolben mit rundem Boden gemischt. In einem auf 60 Grad Celsius eingestellten Ölbad zehn Minuten lang mischen lassen. Geben Sie dann 1,7 Milligramm festes Boran-tert-Butylamin in die Gold-CTAC-Lösung und lassen Sie die Mischung 30 Minuten lang rühren.

Die Lösung sollte sich tiefrot färben. Die resultierende Lösung hat eine Goldpartikelkonzentration von etwa 5 Mikromolaren und kann monatelang gelagert oder sofort für die nächste Phase der Reaktion verwendet werden. Geben Sie dann die Silberlösung tropfenweise zur Gold- und Ascorbinsäurelösung und lassen Sie die Reaktion zwei Stunden lang rühren.

Mischen Sie in einem 70 Grad Celsius heißen Ölbad 10 Milliliter Stammgold-Nanopartikel mit Ascorbinsäure, um eine 20 Millimolare Lösung herzustellen. Bereiten Sie anschließend eine 4,0 Millimolare Silbernitratlösung in fünf Millilitern Wasser vor. Die Reaktion färbt sich je nach Schalendicke im Verlauf der Reaktion hellorange bis dunkelorange

Zentrifugieren Sie die Nanopartikel zehn Minuten lang bei 21.130 g und dispergieren Sie sie dann wieder in sauberem Wasser. Dekantieren Sie den Überstand aus pelletierten Nanopartikeln, um die Entfernung von blanken Gold-Nanopartikeln oder Silber-Nanopartikeln zu unterstützen, die möglicherweise gebildet wurden. Der elementare Schwefel wird in einem Verhältnis von 200 zu einem molaren Verhältnis zu dem in der vorherigen Versuchsphase verwendeten Silber gewogen.

Für zehn Milliliter Gold-Silber-Kernschalenpartikel und eine Fünf-Nanometer-Hülle lösen sich in zehn Milliliter Toluol 1,5 Milliliter Ölsäure und drei Milliliter Oleylamin auf. Nach dem Auflösen sollte die Lösung hellgelb sein. Restwasser kann die Löslichkeit sowohl der Nanopartikel als auch der freien surfaktiven Moleküle stören, was möglicherweise zu einer irreversiblen Aggregation der Gold-Naonpartikel führt.

Um die Entwaffnung des Wassers im nächsten Reinigungsschritt zu gewährleisten, werden die Silberkolloide durch Cetrifugation bei 21.130 g für zehn Minuten konzentriert. Dispergieren Sie die Silberkolloide in einem Milliliter Wasser. Dies trägt dazu bei, die Effizienz der Extraktion von der wässrigen Schicht zur organischen Schicht bei der Bildung der Silberhülle zu erhöhen.

Geben Sie die Kolloide tropfenweise unter Rühren für eine Stunde in die Schwefellösung. Die Lösung färbt sich dunkelblau für dünnere Schalen und violett für dickere Schalen, wenn die Schwefelung abgeschlossen ist. Fügen Sie vor dem Zentrifugieren das gleiche Volumen von 70 Prozent Ethanol hinzu.

Die kolloidale Lösung wird nach zweistündigem Rühren der Reaktion 10 Minuten lang bei 4.000 g zentrifugiert, um das Wasser und den nicht umgesetzten Schwefel aus der Lösung zu entfernen. Überschüssiges Oleylamin oder Ölsäure kann aus der Lösung herausfallen und kann nach diesem Schritt entfernt werden, indem die Lösung aus dem weißen Feststoff umgefüllt wird. Falls erforderlich, dispergieren Sie die Nanopartikel erneut, indem Sie sie 30 Sekunden bis eine Minute lang in einem Badsonicator beschallen, um sich in das Toluol zu dispergieren.

Stellen Sie den Metallvorläufer her, indem Sie das Metallnitrat in einen Milliliter Methanol auflösen, um eine 0,2-molare Lösung aus Cadmiumnitrat oder Zinknitrat herzustellen. Mischen Sie die Metalllösung mit den silbersulfidgeschälten Naonpartikeln in einem molaren Verhältnis von eins zu eins mit dem Silber. Unter Stickstoffatmosphäre auf 50 Grad Celsius für Cadmiumschalen und 65 Grad Celsius für Zinkschalen erhitzen.

Als nächstes fügen Sie dem Metallvorläufer Tributylphosphin in einem Verhältnis von 500 zu einem molaren Verhältnis hinzu. Durch Zentrifugation bei 21.130 g für zehn Minuten reinigen, um isolierte Cadmiumsulfid- oder Zinksulfid-Nanopartikel zu entfernen, die sich möglicherweise gebildet haben. Dispergieren Sie die pelletierten Nanopartikel in einem sauberen, unpolaren Lösungsmittel wie Hexan, Toluol oder Chloroform.

Hier sind Transmissionselektronenmikroskopie oder TEM-Bilder von Goldnanopartikeln zu sehen, 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 Silberhülle kann durch ultraviolette sichtbare Absorptionsspektroskopie überwacht werden.

In dieser Abbildung nimmt die Silberdicke von schwarz zu hellblau zu. Das Oberflächenplasmon von Goldnanopartikeln verschiebt sich mit zunehmender Dicke der Silberhülle zu höheren Energien. TEM-Bilder von Goldnanopartikeln mit Silberschalen sind hier zu sehen.

Silber wird auf den Goldkern gezüchtet, um eine Vorlage für die spätere Halbleiterhülle zu schaffen. Die Schalen sind von drei bis sieben Nanometern im Radius abgestimmt. Im nächsten Schritt werden die silberbeschichteten Nanopartikel mit Schwefel behandelt, um eine Silbersulfidhülle zu bilden.

Die resultierenden Schalen sind tendenziell etwas größer als die vorherigen Silberschalen, aber gleichmäßig verteilt. Schließlich kann Cadmium, in diesem Beispiel, oder Zink verwendet werden, um die Silberionen zu ersetzen und eine Halbleiterhülle aus Cadmiumsulfid oder Zinksulfid herzustellen. Die resultierende Hülle ist einkristallin mit einem Radius, der dem Silberradius im ersten Beschichtungsschritt entspricht.

Einmal gemeistert, kann diese Technik in sieben bis acht Stunden durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird. Bei diesem Verfahren ist es wichtig, alle Glaswaren vor dem Gebrauch ordnungsgemäß 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 sind mit Silber beschichtet, das in Silbersulfid umgewandelt wird. Zum Schluss wird das Silber gegen Cadmium oder Zink ausgetauscht.