Colloïdal Synthèse de Nanopatch Antennes pour Applications dans plasmonique et nanophotonique

L’objectif global de cette procédure expérimentale est de démontrer une technique permettant de fabriquer des antennes nanopatch qui peuvent permettre des interactions lumière-matière sur mesure, telles qu’une fluorescence fortement améliorée. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans les communautés nanophotoniques et plasmoniques, telles que la façon d’obtenir une amélioration de la fluorescence élevée et le contrôle d’autres sous-processus connexes. Le principal avantage de cette technique est qu’elle permet la fabrication à grande échelle de nanoantennes, où la taille critique des caractéristiques peut être contrôlée à une seule échelle nanométrique.

Thang Hoang, un associé postdoctoral, et Jiani Huang, un étudiant diplômé de mon laboratoire, feront la démonstration de cette procédure. Commencez la procédure de synthèse en trempant un ballon à fond rond nettoyé dans le bain chauffant, à environ 10 mm de profondeur dans le liquide. Ensuite, à l’aide d’une micropipette, placez 10 ml d’éthylène glycol, ou EG, dans la fiole à fond rond.

Mettez le capuchon sur le ballon et attendez 20 minutes. Le but de cette étape est de nettoyer le ballon avec EG. Au bout de 20 minutes, retirez le bouchon, puis sortez le flacon à fond rond du bain chauffant. Retirez toute la pince, car la solution EG est chaude.

Versez les 10 ml d’EG dans un récipient d’élimination, en vous assurant que la barre d’agitation magnétique ne tombe pas. Remettez le ballon dans le bain chauffant. À l’aide d’une micropipette, ajoutez 5 ml d’EG dans la fiole et mettez le bouchon.

Après avoir attendu 5 minutes, retirez le capuchon et utilisez une micropipette pour placer 60 microlitres d’hydrate d’hydrosulfure de sodium dans le ballon. Remettez le capuchon et attendez deux minutes. Au bout de deux minutes, retirez le capuchon et utilisez une micropipette pour placer 500 microlitres de la solution d’acide chlorhydrique dans le ballon.

À l’aide d’une micropipette, ajoutez immédiatement 1,25 ml de la solution PVP dans le flacon avant de remettre le capuchon en place et d’attendre deux minutes. Après avoir retiré le bouchon, à l’aide d’une micropipette, placez 400 microlitres de la solution de trifluoroacétate d’argent dans le ballon et remettez le capuchon en place. Attendez 2,5 heures.

Les nanocubes d’argent se forment au cours de cette étape. Pendant ce temps, réduisez la lumière de la pièce au minimum. Après 2,5 heures, éteignez le radiateur, mais laissez l’agitation pour éviter de brûler le liquide au fond.

À l’aide de la pince, soulevez la fiole au-dessus du bain chauffant et retirez le bouchon. Ensuite, retirez la fiole du bain chauffant pour lui permettre de refroidir plus rapidement. Après environ 20 minutes, ajoutez 5 ml d’acétone dans la fiole.

Vortex pour bien mélanger les solutions. Au final, le volume total de la solution est de 12 ml. À l’aide d’une micropipette, transférez la solution finale dans huit petits tubes en plastique de 1,5 ml.

Centrifugez ces huit tubes à une vitesse de 5,150 G pendant dix minutes. De ce fait, tous les nanocubes d’argent se trouvent au fond des tubes. À l’aide d’une micropipette, retirez le surnageant supérieur, en laissant environ 100 microlitres au fond de chaque tube.

Ensuite, ajoutez 1 ml d’eau déminéralisée dans chacun de ces tubes. Vortex et sonicate les tubes. Les nanocubes sont maintenant en suspension dans de l’eau principalement désionisée.

Répétez l’étape de centrifugation-remise en suspension une fois de plus. Tout d’abord, déposez une couche de chlorhydrate de polyalléléamine, ou HAP, en immergeant le film d’or dans une solution de HAP pendant cinq minutes. Il en résulte une couche de HAP sur le film d’or d’une épaisseur d’environ 1 nanomètre.

Après cinq minutes, rincez le film d’or avec de l’eau déminéralisée propre. Il y a maintenant une seule couche de HAP sur le film d’or. Ensuite, plongez le film d’or avec la seule couche de HAP dans une solution de chlorure de sodium pendant une minute.

Ensuite, plongez le film d’or avec la seule couche de HAP dans une solution de polystyrène sulfonate ou PSS pendant cinq minutes. Il en résulte une couche PSS d’une épaisseur d’environ 1 nanomètre au-dessus de la couche HAP. Continuez ce processus pour déposer un total de cinq couches de polyélectrolytes sur le film d’or.

Versez 100 microlitres d’une solution de cyanine-5 de 25 micromolaires sur la surface de l’échantillon. Placez ensuite une lamelle propre sur la goutte de solution. Les molécules de cyanine-5 s’incorporent uniformément dans les couches supérieures de polyélectrolite.

Après dix minutes, rincez l’échantillon à l’eau déminéralisée et séchez-le à l’aide d’azote gazeux propre. Pour former des antennes nanopatch, diluez la solution de nanocube préparée 100 fois avec de l’eau désionisée, afin de permettre l’étude optique des antennes nanopatch individuelles. À l’aide d’une micropipette, placez une goutte de 20 microlitres de la solution de nanocube diluée sur une lamelle propre.

Placez l’échantillon en contact avec la lamelle pendant deux minutes. En conséquence, les nanocubes d’argent sont immobilisés sur la couche terminale supérieure de HAP, car les nanocubes synthétisés ici sont chargés négativement et la couche supérieure de HAP est chargée positivement. Après deux minutes, rincez l’échantillon à l’eau désionisée et séchez-le à l’aide d’azote gazeux propre.

Vous trouverez ici des images représentatives de la microscopie électronique à balayage des nanocubes d’argent obtenus à partir de cette procédure. Ici, l’échantillon a été fabriqué à l’aide d’une solution non diluée de nanocubes. Alors que l’échantillon a été dilué dix, et cent fois dans ces images.

Dans tous les cas, des nanocubes de taille relativement uniforme, caractérisés par des angles vifs, avec un rayon de courbure d’environ 10 nanomètres sont observés. Voici des caractérisations optiques représentatives des antennes nanopatch finales avec des molécules de colorant cyanine-5 intégrées. Les mesures de réflexion d’un ensemble d’antennes nanopatch montrent une résonance plasmonique caractéristique à 650 nanomètres.

Les mesures de diffusion de nanoantennes individuelles montrent une résonance à la même longueur d’onde, mais avec une largeur plus étroite. Les images en fond sombre de l’échantillon montrent des taches limitées par la diffraction avec une couleur rouge uniforme, indiquant que la plupart des antennes nanopatch ont des résonances très similaires en raison de la bonne homogénéité de taille des nanocubes fabriqués. Enfin, une grande augmentation de la fluorescence des molécules de colorant cyanine-5 intégrées est observée.

Une fois maîtrisée, cette technique de fabrication peut être réalisée en cinq heures si elle est exécutée correctement. Après son développement, cette technique a ouvert la voie aux chercheurs dans les domaines de la nanophotonique et de la plasmonique pour explorer l’interaction fondamentale des métaux appliqués et les applications potentielles dans les dispositifs optoélectroniques à surface unique, y compris les diodes électroluminescentes, les photoréflecteurs à haut rendement et la science de l’information quantique. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon de fabriquer des antennes nanopatch en utilisant des nanocubes d’argent synthétisés colloïdalement pour permettre des interactions lumière-matière améliorées.