Synthèse, caractérisation et fonctionnalisation des hybrides Au / CdS et Au / ZnS de base / Shell Nanoparticules

La synthèse de nanoparticules d’or uniformes recouvertes de coquilles semi-conductrices de CdS ou de ZnS est réalisée. Le revêtement semi-conducteur est réalisé en déposant d’abord une coquille de sulfure d’argent et en remplaçant les cations d’argent par des cations de zinc ou de cadmium.

L’objectif global de cette procédure est de préparer des nanoparticules d’or recouvertes d’une coquille semi-conductrice à large bande interdite. Le matériau de la coque peut être du sulfure de cadmium ou de zinc, et l’épaisseur doit être réglable. Cette technique permet de surmonter le grand décalage du réseau entre le noyau et la coquille en utilisant une technique d’échange de cations en quatre étapes pour former les coquilles.

Le principal avantage de cette technique est la possibilité de produire des nanoparticules de coquille de noyau d’or hautement monodispersées avec un excellent contrôle de l’épaisseur de la coquille. Les nanoparticules produites avec cette technique pourraient être utilisées comme éléments plasmoniques qui se couplent avec des absorbeurs dans les systèmes opto-électroniques, car la large enveloppe à bande interdite permet un réglage précis des distances d’interaction. Ajuster les interactions de cette manière nous permet de limiter les pertes et de maximiser les gains d’absorption ou d’émission, et de donner un aperçu du potentiel du couplage excitons-plasmons pour une gamme d’applications.

Pour commencer la synthèse de nanoparticules d’or, travaillez dans une boîte à gants pour peser le sel d’or dans un flacon préalablement nettoyé à l’eau régale avant de le diluer avec 100 millilitres d’eau dans une fiole jaugée. Ajoutez ensuite 3,2 grammes de chlorure de cétyltriméthylammonium solide, ou CTAC, et chauffez dans 25 millilitres d’eau à environ 60 degrés Celsius pour la dissolution. Refroidir le mélange à température ambiante et diluer à 50 millilitres avec de l’eau dans une fiole jaugée pour préparer une solution de CTAC de 0,2 molaire.

Mélangez 20 millilitres d’une solution d’or millimolaire et 20 millilitres de solution CTAC de 0,2 molaire à l’intérieur d’une fiole bouillante à fond rond. Laisser mélanger dans un bain d’huile réglé à 60 degrés Celsius pendant dix minutes. Ajoutez ensuite 1,7 milligramme de borane tert-butylamine solide à la solution d’or CTAC et laissez le mélange remuer pendant 30 minutes.

La solution doit devenir rouge foncé. La solution résultante a une concentration de particules d’or d’environ 5 micromolaires et peut être stockée pendant des mois ou utilisée immédiatement pour la phase suivante de la réaction. Ensuite, ajoutez la solution d’argent goutte à goutte à la solution d’or et d’acide ascorbique et laissez la réaction s’agiter pendant deux heures.

Dans un bain d’huile à 70 degrés Celsius, mélangez 10 millilitres de nanoparticules d’or avec de l’acide ascorbique pour obtenir une solution de 20 millimolaires. Ensuite, préparez une solution de nitrate d’argent de 4,0 millimolaires dans cinq millilitres d’eau. La réaction virera à l’orange clair à l’orage foncé en fonction de l’épaisseur de la coquille au cours de la réaction.

Centrifugez les nanoparticules à 21, 130 g pendant dix minutes, puis dispersez-les à nouveau dans de l’eau propre. Décanter le surnageant des nanoparticules granulées pour aider à éliminer les nanoparticules d’or nues ou les nanoparticules d’argent, qui peuvent s’être formées. Pesez le soufre élémentaire dans un rapport de 200 à une molaire par rapport à l’argent utilisé à l’étape précédente de l’expérience.

Pour dix millilitres de particules de coquille de noyau d’or et d’argent et une coquille de cinq nanomètres, dans dix millilitres de toluène, dissolvez 1,5 millilitre d’acide oléique et trois millilitres d’oleylamine. Une fois dissoute, la solution doit être jaune clair. L’eau résiduelle peut perturber la solubilité des nanoparticules et des molécules surfactives libres, ce qui peut conduire à une agrégation irréversible des nanoparticules d’or.

Pour assurer l’élimination de l’eau lors de l’étape de purification suivante, concentrez les colloïdes d’argent par cétrifugation à 21, 130 g pendant dix minutes. Dispersez les colloïdes d’argent dans un millilitre d’eau. Cela permet d’augmenter l’efficacité de l’extraction de la couche aqueuse vers la couche organique lors de la formation de la coquille d’argent.

Ajouter les colloïdes goutte à goutte à la solution soufrée en remuant pendant une heure. La solution deviendra bleu foncé pour les coquilles plus minces, au violet pour les coquilles plus épaisses, au fur et à mesure que la sulfuration se terminera. Ajouter le même volume d’éthanol à 70 % avant de centrifuger.

Centrifugez la solution colloïdale à 4 000 g pendant 10 minutes, après que la réaction a agité pendant deux heures, pour éliminer l’eau et le soufre n’ayant pas réagi de la solution. L’excès d’oleylamine ou d’acide oléique peut tomber de la solution et peut être éliminé après cette étape en transvasant la solution du solide blanc. Si nécessaire, redispersez les nanoparticules en les sonisant dans un sonicateur à bain pendant 30 secondes à une minute afin de les disperser dans le toluène.

Fabriquez le précurseur métallique en dissolvant le nitrate métallique dans un millilitre de méthanol pour obtenir une solution de 0,2 molaire de nitrate de cadmium ou de nitrate de zinc. Mélangez la solution métallique avec les particules de naon décortiquées de sulfure d’argent dans un rapport de une molaire avec l’argent. Chauffer à 50 degrés Celsius pour les obus au cadmium et à 65 degrés Celsius pour les obus en zinc, sous une atmosphère d’azote.

Ensuite, ajoutez de la tributylphosphine dans un rapport de 500 à une molaire au précurseur métallique. Purifier par centrifugation à 21,130 g pendant dix minutes afin d’éliminer les nanoparticules isolées de sulfure de cadmium ou de sulfure de zinc qui auraient pu se former. Dispersez les nanoparticules granulées dans un solvant propre et non polaire, tel que l’hexane, le toluène ou le chloroforme.

On voit ici la microscopie électronique à transmission, ou images TEM de nanoparticules d’or synthétisées avec CTAC comme tensioactif. Les nanoparticules étaient monocristallines avec un diamètre de 16 nanomètres et un écart-type de 0,4 nanomètre. L’épaisseur de la coquille d’argent peut être surveillée par spectroscopie d’absorption visible dans l’ultraviolet.

Dans cette figure, l’épaisseur de l’argent augmente du noir au bleu clair. Le plasmon de surface des nanoparticules d’or passe à des énergies plus élevées à mesure que l’épaisseur de la coquille d’argent augmente. Des images TEM de nanoparticules d’or avec des coquilles d’argent sont présentées ici.

L’argent est cultivé sur le noyau d’or pour fournir un modèle pour la coquille semi-conductrice suivante. Les coquilles sont réglées de trois à sept nanomètres de rayon. Dans l’étape suivante, les nanoparticules enrobées d’argent sont traitées avec du soufre pour former une coquille de sulfure d’argent.

Les coquilles résultantes ont tendance à être légèrement plus grandes que les coquilles argentées précédentes, mais leur distribution est uniforme. Enfin, le cadmium, dans cet exemple, ou le zinc peut être utilisé pour remplacer les ions argent et produire une coquille semi-conductrice de sulfure de cadmium ou de sulfure de zinc. La coquille résultante est monocristalline avec un rayon correspondant au rayon de l’argent lors de la première étape de revêtement.

Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en sept à huit heures si elle est correctement exécutée. Lors de cette procédure, il est important de nettoyer correctement toute la verrerie avec de l’eau régale avant utilisation. Après avoir regardé la vidéo, vous devriez être en mesure d’enduire des nanoparticules d’or aqueuses avec du sulfure de cadmium ou de zinc.

Les nanoparticules d’or sont recouvertes d’argent, qui est transformé en sulfure d’argent. Enfin, l’argent est échangé contre du cadmium ou du zinc.