Kolloidales Synthese von Nanopatch Antennen für Anwendungen in Plasmonics und Nanophotonics

Das übergeordnete Ziel dieses experimentellen Verfahrens ist es, eine Technik zur Herstellung von Nanopatch-Antennen zu demonstrieren, die maßgeschneiderte Licht-Materie-Wechselwirkungen, wie z. B. eine stark erhöhte Fluoreszenz, ermöglichen kann. Diese Methode kann dazu beitragen, Schlüsselfragen in der nanophotonischen und plasmonischen Gemeinschaft zu beantworten, z. B. wie eine hohe Fluoreszenzverstärkung und die Kontrolle anderer verwandter Teilprozesse erreicht werden können. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie die Herstellung von Nanoantennen in großem Maßstab ermöglicht, bei denen die kritische Merkmalsgröße auf einer einzigen Nanometerskala kontrolliert werden kann.

Dieses Verfahren wird von Thang Hoang, einem Postdoktoranden, und Jiani Huang, einem Doktoranden aus meinem Labor, demonstriert. Zu Beginn des Syntheseverfahrens wird ein gereinigter Rundkolben in das Heizbad in einer Tiefe von etwa 10 mm in die Flüssigkeit getaucht. Geben Sie dann mit einer Mikropipette 10 ml Ethylenglykol oder EG in den Kolben mit rundem Boden.

Setzen Sie den Deckel auf den Kolben und warten Sie 20 Minuten. Der Zweck dieses Schritts besteht darin, den Kolben mit EG zu reinigen. Entfernen Sie nach 20 Minuten die Kappe und heben Sie dann den Rundkolben aus dem Heizbad. Nehmen Sie die gesamte Klemme heraus, da die EG-Lösung heiß ist.

Gießen Sie die 10 ml EG in einen Entsorgungsbehälter und achten Sie darauf, dass der Magnetrührstab nicht herausfällt. Stellen Sie den Kolben wieder in das Heizbad. Geben Sie mit einer Mikropipette 5 ml EG in den Kolben und setzen Sie die Kappe auf.

Nachdem Sie 5 Minuten gewartet haben, nehmen Sie die Kappe ab und geben Sie mit einer Mikropipette 60 Mikroliter Natriumhydrosulfidhydrat in den Kolben. Setzen Sie die Kappe wieder auf und warten Sie zwei Minuten. Nach zwei Minuten nehmen Sie die Kappe ab und geben mit einer Mikropipette 500 Mikroliter der Salzsäurelösung in den Kolben.

Verwenden Sie sofort eine Mikropipette, um 1,25 ml der PVP-Lösung in den Kolben zu geben, bevor Sie die Kappe wieder aufsetzen und zwei Minuten warten. Nachdem Sie die Kappe entfernt haben, geben Sie mit einer Mikropipette 400 Mikroliter der Silbertrifluoracetatlösung in den Kolben und setzen Sie die Kappe wieder auf. Warten Sie 2,5 Stunden.

In diesem Schritt bilden sich die Silber-Nanowürfel. Reduzieren Sie während dieser Zeit das Raumlicht auf ein Minimum. Schalten Sie die Heizung nach 2,5 Stunden aus, aber lassen Sie das Rühren eingeschaltet, um ein Anbrennen der Flüssigkeit am Boden zu vermeiden.

Heben Sie den Kolben mit der Klemme über das Heizbad an und entfernen Sie die Kappe. Nehmen Sie dann den Kolben aus dem Heizbad, damit er schneller abkühlen kann. Nach etwa 20 Minuten geben Sie 5 ml Aceton in den Kolben.

Wirbeln Sie es, um die Lösungen gut zu mischen. Am Ende beträgt das Gesamtvolumen der Lösung 12 ml. Übertragen Sie die endgültige Lösung mit einer Mikropipette in acht kleinere 1,5-ml-Kunststoffröhrchen.

Zentrifugieren Sie diese acht Röhrchen bei einer Geschwindigkeit von 5.150 G für zehn Minuten. Das hat zur Folge, dass sich alle Silber-Nanowürfel am Boden der Röhren befinden. Verwenden Sie eine Mikropipette, um den oberen Überstand zu entfernen, und lassen Sie etwa 100 Mikroliter am Boden jedes Röhrchens übrig.

Geben Sie dann 1 ml deionisiertes Wasser in jedes dieser Röhrchen. Die Röhren vortexen und beschallen. Die Nanowürfel sind nun in hauptsächlich entionisiertem Wasser suspendiert.

Wiederholen Sie den Schritt der Zentrifugation-Resuspension noch einmal. Scheiden Sie zunächst eine Polyalleleaminehydrochlorid- oder PAK-Schicht ab, indem Sie den Goldfilm fünf Minuten lang in eine PAK-Lösung eintauchen. Dadurch entsteht eine PAK-Schicht auf dem Goldfilm mit einer Dicke von ca. 1 Nanometer.

Spülen Sie den Goldfilm nach fünf Minuten mit sauberem, entionisiertem Wasser ab. Auf der Goldfolie befindet sich nun eine einzelne PAK-Schicht. Tauchen Sie anschließend den Goldfilm mit der einzelnen PAK-Schicht eine Minute lang in eine Natriumchloridlösung.

Tauchen Sie anschließend den Goldfilm mit der einzelnen PAK-Schicht fünf Minuten lang in eine Polystyrolsulfonat- oder PSS-Lösung. Dadurch entsteht eine PSS-Schicht mit einer Dicke von ca. 1 Nanometer auf der PAK-Schicht. Setzen Sie diesen Vorgang fort, um insgesamt fünf Polyelektrolytschichten auf dem Goldfilm abzuscheiden.

100 Mikroliter einer 25 mikromolaren Cyanin-5-Lösung werden auf die Probenoberfläche tropfen lassen. Legen Sie dann einen sauberen Deckschirm auf den Lösungstropfen. Cyanin-5-Moleküle werden gleichmäßig in die oberen Polyelektrolitschichten eingebaut.

Spülen Sie die Probe nach zehn Minuten mit deionisiertem Wasser ab und trocknen Sie sie mit sauberem Stickstoffgas. Um Nanopatch-Antennen zu bilden, verdünnen Sie die vorbereitete Nanocube-Lösung mit deionisiertem Wasser um das 100-fache, um die optische Untersuchung einzelner Nanopatch-Antennen zu ermöglichen. Geben Sie mit einer Mikropipette einen Tropfen mit 20 Mikrolitern der verdünnten Nanowürfellösung auf ein sauberes Deckglas.

Halten Sie die Probe zwei Minuten lang mit dem Deckglas in Kontakt. Dadurch werden die Silber-Nanowürfel auf der oberen terminalen PAK-Schicht immobilisiert, da die hier synthetisierten Nanowürfel negativ geladen sind und die oberste PAK-Schicht positiv geladen ist. Spülen Sie die Probe nach zwei Minuten mit entionisiertem Wasser ab und trocknen Sie sie mit sauberem Stickstoffgas.

Hier sind repräsentative Rasterelektronenmikroskopie-Aufnahmen der Silber-Nanowürfel zu sehen, die mit diesem Verfahren gewonnen wurden. Hier wurde die Probe unter Verwendung einer unverdünnten Lösung von Nanowürfeln hergestellt. Während die Probe in diesen Bildern zehn- und hundertmal verdünnt wurde.

In allen Fällen werden Nanowürfel von relativ einheitlicher Größe, gekennzeichnet durch scharfe Ecken, mit einem Krümmungsradius von etwa 10 Nanometern beobachtet. Hier sind repräsentative optische Charakterisierungen der finalen Nanopatch-Antennen mit eingebetteten Cyanin-5-Farbstoffmolekülen zu sehen. Reflexionsmessungen eines Ensembles von Nanopatch-Antennen zeigen eine charakteristische Plasmonenresonanz bei 650 Nanometern.

Streumessungen einzelner Nanoantennen zeigen eine Resonanz bei gleicher Wellenlänge, aber mit geringerer Breite. Dunkelfeldbilder der Probe zeigen beugungsbegrenzte Flecken mit einer einheitlichen roten Farbe, was darauf hindeutet, dass die meisten Nanopatch-Antennen aufgrund der guten Größenhomogenität der hergestellten Nanowürfel sehr ähnliche Resonanzen aufweisen. Schließlich wird eine starke Fluoreszenzverstärkung der eingebetteten Cyanin-5-Farbstoffmoleküle beobachtet.

Einmal gemeistert, kann diese Fertigungstechnik in fünf Stunden abgeschlossen werden, wenn sie richtig ausgeführt wird. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für Forscher in den Bereichen Nanophotonik und Plasmonik, um die grundlegende angewandte Metallwechselwirkung und potenzielle Anwendungen in optoelektronischen Bauelementen mit geringer Oberfläche, einschließlich Leuchtdioden, hocheffizienten Photoreflektoren und der Quanteninformationswissenschaft, zu erforschen. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man Nanopatch-Antennen unter Verwendung von kolloidal synthetisierten Silber-Nanowürfeln herstellt, um verbesserte Licht-Materie-Wechselwirkungen zu ermöglichen.