Colloidale Sintesi di Nanopatch Antenne per applicazioni in Plasmonics e nanofotonica

L'obiettivo generale di questa procedura sperimentale è quello di dimostrare una tecnica per fabbricare antenne nanopatch in grado di consentire interazioni luce-materia su misura, come la fluorescenza fortemente potenziata. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nelle comunità nanofotoniche e plasmoniche, come ad esempio come ottenere un elevato miglioramento della fluorescenza e il controllo di altri sottoprocessi correlati. Il vantaggio principale di questa tecnica è che consente la fabbricazione su larga scala di nanoantenne, in cui la dimensione della caratteristica critica può essere controllata su una singola scala nanometrica.

A dimostrare questa procedura saranno Thang Hoang, un associato post-dottorato, e Jiani Huang, uno studente laureato del mio laboratorio. Iniziare la procedura di sintesi immergendo un pallone pulito a fondo tondo nel bagno di riscaldamento, a circa 10 mm di profondità nel liquido. Quindi, utilizzare una micropipetta per inserire 10 ml di glicole etilenico, o EG, nel pallone a fondo tondo.

Mettere il tappo sul pallone e attendere 20 minuti. Lo scopo di questo passaggio è quello di pulire il pallone con EG. Dopo 20 minuti, rimuovere il tappo e quindi sollevare il pallone a fondo tondo dal bagno di riscaldamento. Estrarre l'intero morsetto, poiché la soluzione EG è calda.

Versare i 10 ml di EG in un contenitore per lo smaltimento, assicurandosi che l'ancoretta magnetica non cada. Rimettere il pallone nel bagno di riscaldamento. Utilizzare una micropipetta per aggiungere 5 ml di EG nel pallone e mettere il tappo.

Dopo aver atteso 5 minuti, togliere il tappo e utilizzare una micropipetta per inserire 60 microlitri di idrato di idrosolfuro di sodio nel pallone. Rimettere il tappo e attendere due minuti. Dopo due minuti, togliere il tappo e utilizzare una micropipetta per inserire 500 microlitri della soluzione di acido cloridrico nel pallone.

Immediatamente, utilizzare una micropipetta per aggiungere 1,25 ml di soluzione PVP nel pallone prima di rimettere il tappo e attendere due minuti. Dopo aver rimosso il tappo, utilizzare una micropipetta per inserire 400 microlitri della soluzione di trifluoroacetato d'argento nel pallone e rimettere il tappo. Attendi 2,5 ore.

I nanocubi d'argento si stanno formando durante questa fase. Durante questo periodo, ridurre al minimo la luce della stanza. Dopo 2,5 ore, spegnere il riscaldatore, ma lasciare l'agitazione accesa per evitare di bruciare il liquido sul fondo.

Utilizzare il morsetto per sollevare il pallone sopra il bagno di riscaldamento e rimuovere il tappo. Quindi, rimuovere il pallone dal bagno di riscaldamento per farlo raffreddare più velocemente. Dopo circa 20 minuti, aggiungere 5 ml di acetone nel pallone.

Agitalo per mescolare bene le soluzioni. Alla fine, il volume totale della soluzione è di 12 ml. Utilizzando una micropipetta, trasferire la soluzione finale in otto provette di plastica più piccole da 1,5 ml.

Centrifugare queste otto provette a una velocità di 5, 150 Gs per dieci minuti. Di conseguenza, tutti i nanocubi d'argento si trovano sul fondo dei tubi. Utilizzare una micropipetta per rimuovere il surnatante superiore, lasciando circa 100 microlitri sul fondo di ciascuna provetta.

Quindi, aggiungere 1 ml di acqua deionizzata in ciascuna di queste provette. Vorticare e sonicare i tubi. I nanocubi sono ora sospesi in acqua principalmente deionizzata.

Ripetere ancora una volta la fase di centrifugazione-risospensione. Innanzitutto, depositare uno strato di polialleleammina cloridrato, o IPA, immergendo il film d'oro in una soluzione di IPA per cinque minuti. Ciò si traduce in uno strato di IPA sopra il film d'oro con uno spessore di circa 1 nanometro.

Dopo cinque minuti, sciacquare la pellicola d'oro con acqua deionizzata pulita. Ora c'è un singolo strato di IPA sopra il film d'oro. Quindi, immergere la pellicola d'oro con il singolo strato di IPA in una soluzione di cloruro di sodio per un minuto.

Quindi, immergere il film d'oro con il singolo strato di IPA in una soluzione di polistirene solfonato o PSS per cinque minuti. Ciò si traduce in uno strato di PSS con uno spessore di circa 1 nanometro sopra lo strato di IPA. Continuare questo processo per depositare un totale di cinque strati di polielettrolita sul film d'oro.

Versare 100 microlitri di una soluzione di cianina 5 da 25 micromolari sulla superficie del campione. Quindi posizionare un vetrino coprioggetti pulito sopra la goccia di soluzione. Le molecole di cianine-5 si incorporeranno uniformemente negli strati superiori di polielettroliti.

Dopo dieci minuti, sciacquare il campione con acqua deionizzata e asciugarlo con azoto gassoso pulito. Per formare antenne nanopatch, diluire la soluzione di nanocubo preparata di 100 volte utilizzando acqua deionizzata, per consentire lo studio ottico delle singole antenne nanopatch. Utilizzare una micropipetta per posizionare una goccia di 20 microlitri della soluzione di nanocubo diluita su un vetrino coprioggetti pulito.

Posizionare il campione a contatto con il vetrino coprioggetti per due minuti. Di conseguenza, i nanocubi d'argento sono immobilizzati sullo strato terminale superiore di PAH, perché i nanocubi sintetizzati qui sono caricati negativamente e lo strato superiore di PAH è caricato positivamente. Dopo due minuti, sciacquare il campione con acqua deionizzata e asciugarlo con azoto gassoso pulito.

Qui sono mostrate immagini rappresentative al microscopio elettronico a scansione dei nanocubi d'argento ottenuti da questa procedura. In questo caso, il campione è stato fabbricato utilizzando una soluzione non diluita di nanocubi. Mentre il campione è stato diluito dieci e cento volte in queste immagini.

In tutti i casi si osservano nanocubi di dimensioni relativamente uniformi, caratterizzati da spigoli vivi, con un raggio di curvatura di circa 10 nanometri. Qui sono mostrate le caratterizzazioni ottiche rappresentative delle antenne nanopatch finali con molecole di colorante cianona-5 incorporate. Le misure di riflessione di un insieme di antenne nanopatch mostrano una caratteristica risonanza plasmonica a 650 nanometri.

Le misure di scattering delle singole nanoantenne mostrano una risonanza alla stessa lunghezza d'onda, ma con una larghezza più stretta. Le immagini in campo scuro del campione mostrano macchie limitate alla diffrazione con un colore rosso uniforme, indicando che la maggior parte delle antenne a nanopatch hanno risonanze molto simili a causa della buona omogeneità delle dimensioni dei nanocubi fabbricati. Infine, si osserva un grande aumento della fluorescenza delle molecole di colorante cianona-5 incorporate.

Una volta padroneggiata, questa tecnica di fabbricazione può essere completata in cinque ore se eseguita correttamente. Dopo il suo sviluppo, questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nei campi della nanofotonica e della plasmonica per esplorare l'interazione fondamentale applicata ai metalli e le potenziali applicazioni nei dispositivi optoelettronici a superficie singola, tra cui diodi emettitori di luce, fotoriflettori ad alta efficienza e scienza dell'informazione quantistica. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come fabbricare antenne nanopatch utilizzando nanocubi d'argento sintetizzati colloidalmente per consentire interazioni luce-materia migliorate.