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Articolo metodologico

Sintesi di nanofili Au associato a substrato tramite un meccanismo di crescita superficiale attiva

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DOI:

10.3791/57808

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18 luglio 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Institute of Advanced Synthesis, School of Chemistry and Molecular Engineering, Jiangsu National Synergetic Innovation Center for Advanced Materials, Nanjing Tech University, 2Chemistry and Biological Chemistry, Nanyang Technological University

* These authors contributed equally

In questo articolo

Sommario

Segnaliamo un metodo basato sulla soluzione di sintetizzare associato a substrato Au nanofili. Sintonizzando i ligandi molecolari utilizzati durante la sintesi, i nanofili Au possono essere coltivati da vari substrati con diverse proprietà di superficie. Nanostrutture a base di nanowire au può anche essere sintetizzato regolando i parametri di reazione.

Abstract

Avanzando la capacità sintetica è importante per lo sviluppo della nanoscienza e della nanotecnologia. La sintesi di nanofili è sempre stato una sfida, in quanto richiede crescita asimmetrica dei cristalli simmetriche. Qui, segnaliamo una sintesi distintiva di substrato associato Au nanofili. Questa sintesi template gratis impiega chitosani ligandi e l'adsorbimento di substrato per ottenere la deposizione asimmetrica continua di Au in soluzione in condizioni ambiente. Il ligando chitosani ha impedito la deposizione di Au sulla superficie esposta dei semi, quindi la deposizione di Au si verifica solo a livello di interfaccia tra i semi di Au e il substrato. Il lato dei nanofili Au nuovo depositati immediatamente è coperto con il ligando chitosani, mentre il fondo rivolto verso il substrato rimane privo di ligando e attivo per il prossimo ciclo di deposizione di Au. Più ulteriormente dimostriamo che questa crescita di nanowire Au può essere indotta su vari substrati, e chitosani diversi ligandi possono essere utilizzati per regolare la chimica di superficie dei nanofili. Il diametro dei nanofili può essere controllato anche con ligandi misti, in cui un altro ligando "male" potrebbe accendere la crescita laterale. Con la comprensione del meccanismo, nanostrutture a base di nanowire Au possono essere progettati e sintetizzati.

Introduzione

Tipico di uno dimensionali nanomateriali, nanofili possiedono sia le proprietà relative alla massa e le proprietà uniche ha provenute dagli effetti di quantum della struttura su scala nanometrica. Come un ponte tra la nanoscala e materiali di scala alla rinfusa, sono state ampiamente applicate in vari campi della catalisi, rilevamento e nanoelettronici dispositivi, ecc. 1 , 2 , 3.

Tuttavia, la sintesi di nanofili è da sempre una grande sfida, come di solito richiede rompendo la simmetria intrinseca nei cristalli. Tradizionalmente, un modello viene impiegato per regolare la deposizione di materiali. Per esempio, il modello-elettrodeposizione è stato utilizzato per la formazione di vari tipi di nanofili come Ag nanofili e CD nanofili4,5,6,7,8,9 ,10. Un altro approccio comune è del vapore-liquido-solido (VLS) crescita, che impiega un catalizzatore fuso per indurre la crescita anisotropa sul substrato a un' elevata temperatura11. Strategie comuni per la sintesi di nanofili metallici sono i metodi di poliolo per nanofili Ag e assistita oleilammina ultrasottile Au nanofili12,13,14,15. Entrambi gli approcci sono specifiche del materiale, e i parametri di nanowire non sono prontamente sintonizzati durante la sintesi. Inoltre, nanofili metallici possono essere costituito anche dal metodo di pressione-driven, dove le nanoparticelle di metallo assemblate meccanicamente sono compressi e fusa in nanocavi16,17,18.

Recentemente, abbiamo riferito un particolare metodo di sintesi Au nanofili19. Con l'assist di un ligando di piccola molecola chitosani, i nanofili potrebbero crescere e formare una matrice allineata verticalmente sul grosso Si wafer substrato alle condizioni ambientali. Si è constatato che i ligandi svolgono un ruolo importante nella crescita di rottura di simmetria. Si lega alla superficie del substrato-adsorbito semi Au fortemente, costringendo l'Au per depositare in modo selettivo nell'interfaccia di ligando-carenti tra semi e substrato. L'interfaccia tra l'UA recentemente depositato e il substrato rimane carente del ligando, di conseguenza, la superficie attiva esiste in tutta l'intera crescita. Sintonizzando la concentrazione del ligando, il tipo di seme e concentrazione, nonché diversi altri parametri, potrebbe essere sintetizzata una serie di nanostrutture a base di nanowire Au.

In questo lavoro, vi forniremo un protocollo dettagliato per questa conveniente sintesi di nanofili di Au. La sintesi derivata viene presentata, tra cui la sintesi di nanofili Au con proprietà superficie idrofoba, Au nanofili su altri substrati, conici Au nanofili mescolando due ligandi e nanostrutture Au nanowire-base formata da tuning la crescita condizioni.

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Protocollo

Attenzione: Si prega di controllare le schede di sicurezza (MSDS) delle sostanze chimiche per le istruzioni dettagliate di movimentazione e stoccaggio. Fate attenzione durante la manipolazione di nanomateriali, mentre ci possono essere rischi non identificato. Si prega di eseguire gli esperimenti in una cappa aspirante e indossare adeguati dispositivi di protezione personale.

1. sintesi di nanoparticelle di seme

Nota: Per evitare problemi causati dalla nucleazione prematura durante la sintesi di nanoparticelle, lavare la barra di cristalleria e mescolare utilizzato nella sintesi con acqua regia e sciacquare abbondantemente con acqua.

  1. Sintesi di nanoparticelle di Au di 3-5 nm
    1. Preparare una soluzione di (HAuCl4) tetrachloroaurate (III) di idrogeno sciogliendo 10 mg di HAuCl4∙3H2O in 1 mL di deionizzazione (DI acqua) in un flaconcino da 4 mL. In un pallone da 50 mL, pipettare 0,197 mL della soluzione4 HAuCl.
    2. Aggiungere 19,7 mL di acqua deionizzata al pallone diluire la soluzione di4 HAuCl.
    3. Sciogliere 10 mg di citrato di sodio in 1 mL di acqua purificata in un altro flaconcino da 4 mL per preparare una soluzione stock di citrato di sodio 1%. Aggiungere 0,147 mL di soluzione di citrato di sodio al 1% per la soluzione diluita di4 HAuCl preparata al punto 1.1.2.
    4. Preparare una soluzione di 0.1 M sodio boroidruro (NaBH4) sciogliendo 2,3 mg di NaBH4 in 0,6 mL di acqua deionizzata.
    5. Rapidamente, iniettare la miscela dal punto 1.1.3 sotto agitazione vigorosa 0,6 mL di soluzione di 0,1 M NaBH4 . Verifica un immediato viraggio della soluzione dal giallo pallido all'arancione brillante.
    6. Mescolare il composto per un altro 10 min attesa per un cambiamento di colore graduale della soluzione all'arancio rossastro.
    7. Confermare le dimensioni delle nanoparticelle Au ottenute con spettroscopia UV-Vis e microscopia elettronica (SEM).
  2. Sintesi di nanoparticelle nm Au 15 e 40
    1. Aggiungere 100 mL di acqua deionizzata in un pallone da 250 mL. Pesare 10 mg di HAuCl4∙3H2O solido e dissolverlo nel pallone.
    2. Aggiungere un ancoretta magnetica nel pallone e dotare la beuta con un condensatore. Mescolare e riscaldare la soluzione preparata in 1.2.1 a 100 ° C in bagno d'olio. Riflusso la soluzione per 10 min.
    3. Pesano 40 mg di citrato di sodio e scioglierla in 4 mL di acqua distillata per preparare una soluzione stock di citrato di sodio 1%.
    4. Per sintetizzare nanoparticelle di Au 15 nm, aggiungere 3 mL di soluzione di citrato di sodio al 1% dal passaggio 1.2.3 alla miscela bollita con una siringa.
      Nota: Il colore della soluzione diventa grigio in 1 min e poi gradualmente al rosso.
      1. Per sintetizzare nanoparticelle di Au 40 nm, iniettare 1,5 mL di soluzione di citrato di sodio al 1% per la soluzione bollente dal punto 1.2.2 con una siringa. Mantenere la soluzione bollente finché non diventa rosso in circa 10 min.
        Nota: Il colore della soluzione cambia da trasparente a grigio scuro, quindi al nero e infine al viola in circa 1 min.
    5. Continuare a riflusso la soluzione di reazione per 30 min. Cool giù la soluzione a temperatura ambiente in condizioni ambiente.
    6. Caratterizzano la dimensione e l'uniformità delle nanoparticelle Au risultante con spettroscopia UV-Vis e SEM.

2. sintesi di nanofili di Au (lunghezza = ~ 500 nm) su wafer di silicio (Si) e vari substrati

  1. Preparare il substrato per adsorbimento di seme.
    1. Tagliare la cialda Si a 5mm ´ mm 5 pezzi. Pulire i pezzi di wafer Si con dell'acqua distillata ed etanolo in sequenza in un bagno ad ultrasuoni, ciascuno per 15 min.
    2. Trattare la cialda Si con 29,6 W di O2 plasma (operati a 220 V) per 20 min.
      Nota: La superficie del wafer diventa idrofila.
    3. Preparare una soluzione di 3-amminopropiltrietossisilano (APTES) 5mm sciogliendo 11,1 mg di APTES ad una miscela di acqua distillata (5 mL) ed etanolo (5 mL) in un flaconcino da 20 mL.
    4. Immergere un pezzo di wafer Si nella soluzione APTES preparata al punto 2.1.3 in un flaconcino da 20 mL per 30 min.
    5. Estrarre la cialda Si e lavarlo accuratamente con etanolo e DI acqua.
  2. Adsorbire le nanoparticelle di seme sul substrato.
    1. Mettere a bagno la cialda Si nel 3-5 nm soluzione semi Au preparata al punto 1.1 per 2 h.
      1. Per crescere Au nanofili dai semi di Au 15 nm, immergere la cialda Si nella soluzione di nanoparticelle di Au nm 15 per 2 h.
      2. Per crescere Au nanofili dai semi di Au 40 nm, immergere la cialda Si nella soluzione di nanoparticelle di Au nm 40 per 2 h.
    2. Estrarre la cialda Si e lavarlo con 50 mL DI acqua per rimuovere le nanoparticelle di Au non assorbite.
  3. Crescere i nanofili di Au associato a substrato.
    1. Preparare una soluzione di acido (4-MBA) 4-mercaptobenzoic 1.65 mM sciogliendo 2,5 mg di 4-MBA in 10 mL di etanolo.
    2. Preparate un 5.10 mM HAuCl4 soluzione sciogliendo 20,1 mg di HAuCl4∙3H2O in una miscela di 5 mL di etanolo e 5 mL di acqua deionizzata.
    3. Preparare una soluzione di acido L-ascorbico di 12,3 mM sciogliendo 21,7 mg di acido L-ascorbico in 10 mL di acqua.
    4. Mescolare 0,5 mL di 5.10 mM HAuCl4 soluzione con 0,5 mL di soluzione di 4-MBA 1,65 mM in un flaconcino da 10 mL.
    5. Mettere a bagno la cialda Si semi-adsorbito dal punto 2.2.2 nella soluzione mista preparata al punto 2.3.4.
    6. Aggiungere 0,5 mL di soluzione di acido L-ascorbico di 12,3 mM nella soluzione mista imbevuta di wafer. Agitare delicatamente il flaconcino per mescolare uniformemente la soluzione.
    7. Lasciare la cialda e la soluzione indisturbata per 15 min. controllare la formazione di bolle durante il processo di crescita e il cambiamento di colore della superficie del wafer Si dal lucido grigio al bruno rossastro.
    8. Estrarre la cialda Si e sciacquarlo con etanolo e DI acqua. Asciugare la cialda Si alle condizioni ambientali e attendere che la superficie del wafer per trasformarsi in oro.
    9. Caratterizzare la morfologia dei nanofili Au con SEM.
  4. Per la crescita di nanofili Au su un vetrino, Al2O3, SrTiO3, LaAlO3, ossido della latta dell'indio (ITO) e substrati drogati F ossido di stagno (FTO), seguire le stesse procedure, inclusi i processi di pulizia.

3. sintesi di nanofili Au con diversi ligandi

  1. Sintesi di Au nanowire foreste con vari ligandi chitosani: 2-naphthalenethiol (2-NpSH), acido 4-mercaptophenylacetic (4-MPAA) e acido 3-mercaptobenzoic (3-MBA).
    1. Trattare la cialda Si seguendo le stesse procedure in passi 2.1-2.2.
    2. Preparare una soluzione di 2-NpSH 1,65 mM sciogliendo 2,6 mg di 2-NpSH in 10 mL di etanolo.
      1. Preparare una soluzione di 4-MPAA 1,65 mM sciogliendo 2,8 mg di 4-MPAA in 10 mL di etanolo.
      2. Preparare una soluzione di 3-MBA 1,65 mM sciogliendo 2,5 mg di 3-MBA in 10 mL di etanolo.
    3. Preparare la soluzione di 5.10 mM HAuCl4 e la soluzione acida 12,3 mM L-ascorbico, seguendo lo stesso procedimento in passaggi 2.3.1-2.3.3.
    4. In un flaconcino da 10 mL, mescolare 0,5 mL della soluzione4 HAuCl con 0,5 mL di soluzione 2-NpSH e agitare la miscela per ottenere una soluzione omogenea.
      1. In un flaconcino da 10 mL, mescolare 0,5 mL della soluzione4 HAuCl con 0,5 mL di soluzione di 4-MPAA e agitare la miscela per ottenere una soluzione omogenea.
      2. In un flaconcino da 10 mL, mescolare 0,5 mL della soluzione4 HAuCl con 0,5 mL di soluzione 3-MBA e agitare la miscela per ottenere una soluzione omogenea.
    5. Aggiungere 0,5 mL di soluzione di acido L-ascorbico di 12,3 mM per la soluzione mista imbevuta di wafer. Agitare delicatamente per ottenere una soluzione mista in modo uniforme.
    6. Lasciare la cialda e la soluzione indisturbato per 15 min. osservare la superficie del wafer Si girando lentamente dal lucido grigio al bruno rossastro.
    7. Estrarre la cialda Si sciacquare con etanolo e acqua deionizzata e asciugare la cialda Si alle condizioni ambientali, fino a quando la superficie del wafer si trasforma in oro.
    8. Confermare che i nanofili Au foresta struttura con SEM
  2. Sintesi di nanofili di Au conico con leganti misti.
    1. Sintesi di nanofili Au ispessita con ligandi misti di 4-MBA e 3-mercaptopropanoic acido (3-MPA) (c4-MBA/c3-MPA = 3:1).
      1. Trattare la cialda Si seguendo le stesse procedure in passi 2.1-2.2, tranne diluire la soluzione di seme 100 volte.
      2. Preparare una soluzione di 3 mM 4-MBA sciogliendo 4,6 mg di 4-MBA in 10 mL di etanolo.
      3. Preparare una soluzione di 3-MPA 3 mM sciogliendo 3,2 mg 3-Mpa in 10 mL di etanolo.
      4. Mix 0,75 mL di soluzione di 4-MBA 3 mM con 0,25 mL di soluzione 3-MPA 3 mM (in un flaconcino da 10 mL. Agitare delicatamente per ottenere una soluzione omogenea.
      5. Preparare la soluzione di 5.10 mM HAuCl4 e la soluzione acida 12,3 mM L-ascorbico, seguendo lo stesso procedimento in passaggi 2.3.2-2.3.3.
      6. Aggiungere 0,5 mL di 5.10 mM HAuCl4 soluzione per la soluzione mista nel passaggio 3.2.1.4 e agitare delicatamente per omogeneizzare la soluzione.
      7. Mettere a bagno la cialda Si dal punto 3.2.1.1 nella soluzione mista in un flaconcino da 10 mL. Aggiungere 0,5 mL di soluzione di acido L-ascorbico di 12,3 mM per la soluzione mista.
      8. Dopo 10 min, estrarre la cialda Si e sciacquare con etanolo e DI acqua.
      9. Asciugare la cialda alle condizioni ambientali e confermare la struttura al SEM.
    2. Sintetizzare conici Au nanofili con legante misto di 4-MBA e 3-MPA (c4-MBA/c3-MPA = 6:4). Seguire le stesse procedure nel passaggio 3.2.1 con 0,6 mL di soluzione di 4-MBA di 3 mM e 0,4 mL di soluzione 3-MPA 3 mM invece.
    3. Sintetizzare conici Au nanofili con ligandi misti di 4-MBA e 3-MPA (c4-MBA/c3-MPA = 1:1). Seguire le stesse procedure nel passaggio 3.2.1 con 0,5 mL di soluzione di 4-MBA di 3 mM e 0,5 mL di soluzione 3-MPA 3 mM invece.

4. sintesi di Au Nanowire-Based complesse nanostrutture

  1. Sintesi di nanofili di Au segmentale con segmenti spessi-sottile-spesso-sottile.
    1. Trattare la cialda Si seguendo le stesse procedure in passi 2.1-2.2.
    2. Preparare una soluzione di 4-MBA 1,65 mM sciogliendo 2,5 mg di 4-MBA in 10 mL di etanolo.
    3. Preparare una soluzione di 4-MBA 0,0830 mM diluendo la soluzione di 4-MBA 1,65 mM 20 volte.
    4. Preparare il HAuCl4 e la soluzione di acido L-ascorbico seguendo le stesse procedure in passaggi 2.3.2-2.3.3.
    5. Preparare 1,5 mL di soluzione di crescita A con 0,5 mL di soluzione di 4-MBA 1,65 mM, 0,5 mL di soluzione di 5,10 mM HAuCl4 e 0,5 mL di soluzione di acido L-ascorbico di 12,3 mM (la concentrazione finale: c4-MBA = 0,550 mM, cHAuCl4 = 1,70 mM cacido L-ascorbico = 4,10 mM).
    6. Preparare 1,5 mL di soluzione di crescita B con 0,5 mL di soluzione di 0,0830 mM 4-MBA, 0,5 mL di 5.10 mM HAuCl4 soluzione, 0,5 mL di soluzione di acido L-ascorbico di 12,3 mM (la concentrazione finale: c4-MBA = 0,0280 mM, cHAuCl4 = 1,70 mM, cL-ascorbico acido = 4,10 mM).
    7. Immergere la cialda Si in un flaconcino da 10 mL contenente soluzione di crescita B per circa 1 min.
    8. Trasferire la cialda Si senza seccare per un altro flaconcino da 10 mL contenente soluzione di crescita A rapidamente e lasciare che cresca per 2 min.
    9. Ripetere i passaggi 4.1.7-4.1.8 ancora una volta.
    10. Estrarre la cialda Si e sciacquare con 50 mL di etanolo e 50 mL di acqua deionizzata.
    11. Confermare la struttura dei nanofili di Au segmentati risultante al SEM.
  2. Sintesi della nanoflowers
    1. Trattare la cialda Si seguendo le stesse procedure in passi 2.1-2.2, tranne con un trattamento al plasma di 5 min O2 .
    2. Mettere a bagno la cialda Si in un flaconcino da 10 mL contenente un 10000 x diluito 3-5 nm soluzione semi Au per 15 min.
    3. Lavare la cialda Si dal punto 4.2.2 accuratamente con dell'acqua distillata per rimuovere le nanoparticelle di Au non assorbite.
    4. Preparare una soluzione di crescita contenente 0,550 mM 4-MBA, 1,70 mM HAuCl4e 4,10 mM L-ascorbico, seguendo le stesse procedure al punto 4.1.5.
    5. Immergere la cialda in un flaconcino da 10 mL contenente la soluzione di crescita per 30 s.
    6. Rimuovere la cialda dalla crescita soluzione e lasciare un sottile strato della soluzione (~ 13-15 μL) sul wafer.
    7. Asciugarsi rapidamente la cialda a temperatura ambiente.
    8. Confermare la struttura nanoflower al SEM.

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Risultati

Il semi di nanoparticelle di Au, associato a substrato Au nanofili e Au nanostrutture derivati basati su nanowire sono caratterizzati con SEM. Figura 1 Mostra le immagini di SEM rappresentative dell'Au nanoparticelle, 15 3-5 nm nm nanoparticelle di Au e 40 nm Au nanoparticelle adsorbite sul wafer Si, confermando le loro dimensioni, l'adsorbimento e la distribuzione. I nanofili di Au coltivati dai rispettivi semi sul substrato di wafer Si sono anche presentati...

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Discussione

Il meccanismo di questa crescita superficie attiva governato nanowire sintesi è stato discusso ampiamente nel precedente lavoro19. Inoltre, gli effetti di tipi e dimensioni di seme così come l'effetto di ligando tipi e dimensioni è stati anche studiati20,21. In generale. la crescita di nanowire è molto diversa dai precedenti percorsi segnalati. Nessun modello è necessario, e la crescita asimmetrica è indotta tramite le differenze fra la su...

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Dichiarazioni

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Ringraziamenti

Noi riconosciamo con gratitudine il sostegno finanziario dalla Fondazione nazionale di scienze naturali della Cina (21703104), Jiangsu, la scienza e tecnologia Plan (SBK2017041514) Università di tecnologia di Nanchino (39837131) e SICAM Fellowship da Jiangsu nazionale sinergico Centro di innovazione per materiali avanzati.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Citrato trisodico diidratoAlfa AesarLoT: 5008F14U
Boroidruro di sodioFlukaLoT: STBG0330VNaBH4
Idrogeno tetracloroaurato(III) triidratoAlfa AesarLoT: T19C006HAuCl4
3-amminopropiltrietossisilanoJ& K ScientificLoT: LT20Q102
APTES acido L-ascorbico Sigma-AldrichLoT: SLBL9227V
acido 4-mercaptobenzoicoSigma-AldrichLoT: MKBV5048V4-MBA
2-naftalentioloSigma-AldrichLoT: BCBP4238V2-NpSH
4-mercaptofenilaceticoacido Alfa AesarLoT: 101991604-MPAA
3-mercaptobenzoicoAladdinLoT: G12130273-MBA
3- Acido mercaptopropionicoAladinoLoT: E16180953-MPA
etanolo assolutoSinopharm chimico Reagentechimico 20170802
Wafer di silicioZhe Jiang lijingPSi
Microscopio elettronico a scansioneQuanta FEG 250SEM
Centrifuga Eppendorf5424
Pulitore ad ultrasuoni Kun Shan hechuang
Sistema di acqua ultrapuraNanJing qianyanUP6682-10-11per acqua deionizzata
Pulitore al plasmaHarrick PlasmaPDC-002per plasma di ossigeno

Riferimenti

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