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Artigo de método

Síntese de nanofios de Au substrato ligados através de um mecanismo de crescimento ativo de superfície

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DOI:

10.3791/57808

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18 de julho de 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

Neste artigo

Resumo

Nós relatamos um método baseado em solução para sintetizar o substrato ligado Au nanofios. Ajustando os ligantes moleculares usados durante a síntese, os nanofios de Au podem ser cultivados de vários substratos com diferentes propriedades de superfície. Au baseada em nanofios nanoestruturas também podem ser sintetizadas, ajustando os parâmetros de reação.

Resumo

Avançar capacidades sintéticas é importante para o desenvolvimento da nanociência e nanotecnologia. A síntese de nanofios sempre foi um desafio, pois requer crescimento assimétrico dos cristais simétricas. Aqui, nós relatamos uma distintiva síntese de substrato-limite Au nanofios. Esta síntese livre modelo emprega thiolated ligantes e adsorção de substrato para alcançar a contínua deposição assimétrica de Au em solução em condições ambientais. O ligante thiolated impediu a deposição de Au na superfície exposta das sementes, para a deposição de Au só ocorre na interface entre as sementes de Au e o substrato. O lado dos nanofios Au recém depositados imediatamente é coberto com o ligante thiolated, enquanto a parte inferior virada para o substrato permanece livre de ligante e ativo para a próxima rodada de deposição de Au. Demonstramos ainda que este crescimento de nanofios de Au pode ser induzido em diferentes substratos, e thiolated diferentes ligantes podem ser usados para regular a química de superfície dos nanofios. O diâmetro dos nanofios também pode ser controlado com ligantes mistos, em que outro ligante "ruim" poderia ligar o crescimento lateral. Com o entendimento do mecanismo, Au baseada em nanofios nanoestruturas podem ser projetadas e sintetizadas.

Introdução

Típico de um dimensional nanomateriais, nanofios possuem as propriedades únicas originadas-se a efeitos quânticos da nanoescala estrutura e as propriedades relacionadas a granel. Como uma ponte entre a nanoescala e os materiais de escala em massa, eles foram aplicados extensamente em várias áreas de catálise, sensoriamento e nanoeletrônicas dispositivos, etc. 1 , 2 , 3.

No entanto, a síntese de nanofios tem sido um grande desafio, pois geralmente requer quebrar a simetria intrínseca os cristais. Tradicionalmente, um modelo é empregado para regular a deposição de materiais. Por exemplo, modelo-eletrodeposição tem sido utilizado para a formação de vários tipos de nanofios como Ag nanofios e CdS nanofios4,5,6,7,8,9 ,10. Outra abordagem comum é do vapor-líquido-sólido crescimento de (VLS), que emprega um catalisador derretido para induzir o crescimento anisotrópico sobre o substrato a uma temperatura elevada11. Estratégias comuns para a síntese de nanofios metálicos são os métodos de poliol de nanofios de Ag e a oleylamine assistida ultrafinos Au nanofios12,13,14,15. Ambas as abordagens são específicas do material, e os parâmetros de nanofios não são facilmente ajustados durante a síntese. Além disso, os nanofios metálicos também podem ser formados pelo método controlado por pressão, onde as nanopartículas de metal montadas mecanicamente são compactadas e fundidas em nanofios16,17,18.

Recentemente, nós relatamos um método distinto para síntese de nanofios Au19. Com a ajuda de um ligante de pequena molécula de thiolated, os nanofios poderiam crescer e formar uma matriz verticalmente alinhado sobre o volume de substrato de bolacha Si às condições ambientais. Verificou-se que os ligantes desempenham um papel importante no crescimento quebra de simetria. Liga-se à superfície das sementes Au-substrato adsorvido fortemente, forçando o Au para depositar seletivamente na interface ligante-deficiente entre Sementes e substrato. A interface entre o Au recém depositado e o substrato permanece ligante deficiente, portanto, a superfície ativa existe em todo o crescimento de todo. Ajustando a concentração de ligante, o tipo de semente e concentração, bem como vários outros parâmetros, uma série de Au baseada em nanofios nanoestruturas poderia ser sintetizada.

Neste trabalho, nós forneceremos um protocolo detalhado para esta síntese de nanofios Au conveniente. A síntese derivada também é apresentada, incluindo a síntese de nanofios de Au com propriedade de superfície hidrofóbica, Au nanofios em outros substratos, cônico Au nanofios misturando dois ligantes e as baseado em nanofios Au nanoestruturas formadas por tuning o crescimento condições.

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Protocolo

Atenção: Por favor, verifique as fichas de dados de segurança (MSDS) dos produtos químicos para instruções detalhadas de manipulação e armazenamento. Por favor, tenha cuidado quando manusear os nanomateriais, como pode haver risco não identificado. Por favor, realizar os experimentos em uma coifa e usar equipamento de protecção adequado.

1. síntese de nanopartículas de semente

Nota: Para evitar a falha causada pela nucleação prematura durante a síntese de nanopartículas, lave a vidraria e mexa bar usado em síntese com água régia e enxaguar com água.

  1. Síntese de nanopartículas de Au 3-5 nm
    1. Prepare uma solução de (HAuCl4) hidrogênio tetrachloroaurate (III) dissolvendo-se 10 mg de HAuCl4∙3H2O em 1 mL de desionização água (água DI) em um frasco de 4 mL. Pipete 0,197 mL da solução HAuCl4 para um balão de fundo redondo de 50 mL.
    2. Adicione 19,7 mL de água DI no balão para diluir a solução de4 HAuCl.
    3. Dissolva 10 mg de citrato de sódio em 1 mL de água em um outro frasco de 4 mL para preparar uma solução de citrato de sódio de 1%. Adicione 0,147 mL de solução de citrato de sódio a 1% para a solução de4 HAuCl diluída preparada na etapa 1.1.2.
    4. Prepare uma solução de (NaBH4) boro-hidreto de sódio 0,1 M, dissolvendo 2,3 mg de NaBH4 em 0,6 mL de água Desionizada.
    5. Rapidamente 0,6 mL de solução 0,1 M de4 de NaBH injete a mistura da etapa 1.1.3 sob agitação vigorosa. Verifique se há uma mudança de cor imediata da solução do amarelo pálido ao laranja brilhante.
    6. Agite a mistura por mais 10 min. espere por uma mudança gradual de cor da solução de laranja avermelhada.
    7. Confirme o tamanho das nanopartículas Au obtidos com espectroscopia UV-Vis e microscopia eletrônica (SEM).
  2. Síntese de nanopartículas de Au 15 e 40 nm
    1. Adicione 100 mL de água em um balão de fundo redondo de 250 mL. Pesar 10 mg de HAuCl4∙3H2, O sólido e dissolvê-lo no balão de fundo redondo.
    2. Adicionar uma barra de agitação magnética para o balão e equipar o balão com um condensador. Agitar e aquecer a solução preparada em 1.2.1 a 100 ° C em banho de óleo. Refluxo da solução durante 10 minutos.
    3. Pesar 40 mg de citrato de sódio e dissolvê-lo em 4 mL de água para preparar uma solução de citrato de sódio de 1%.
    4. Para sintetizar 15 nm Au nanopartículas, adicione 3 mL de solução de citrato de sódio a 1% da etapa 1.2.3 à mistura cozida com uma seringa.
      Nota: A cor da solução vira cinza em 1 min e então gradualmente para vermelho.
      1. Para sintetizar 40 nm Au nanopartículas, Injete 1,5 mL de solução de citrato de sódio a 1% para a solução fervente de passo 1.2.2 com uma seringa. Manter a solução em ebulição até que muda para vermelho em cerca de 10 min.
        Nota: A cor da solução muda de transparente para cinza escuro, depois para preto e finalmente a púrpura em cerca de 1 min.
    5. Continue para a solução de reação de 30 min. Cool para baixo a solução à temperatura ambiente em condições ambientais de refluxo.
    6. Caracterizar o tamanho e a uniformidade das nanopartículas Au resultantes com espectroscopia UV-Vis e SEM.

2. síntese de nanofios de Au (comprimento = ~ 500 nm) em Wafers de silício (Si) e vários substratos

  1. Prepare o substrato para a adsorção de semente.
    1. Corte a bolacha de Si em 5mm ´ peças de 5 mm. Limpe os pedaços de bolacha de Si com DI água e etanol sequencialmente em um banho ultra-sônico, cada um por 15 min.
    2. Trate a bolacha de Si com 29,6 W de O2 plasma (operado em 220 V) por 20 min.
      Nota: A superfície do wafer se torna hidrofílica.
    3. Prepare uma solução de 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) de 5 mM, dissolvendo 11,1 mg de APTES a uma mistura de água DI (5 mL) e etanol (5 mL) em um frasco de 20 mL.
    4. Mergulhe um pedaço de bolacha de Si na solução APTES preparada na etapa 2.1.3 em um frasco de 20 mL por 30 min.
    5. Pegue a bolacha de Si e lave-o cuidadosamente com etanol e água.
  2. Adsorção de nanopartículas de sementes sobre o substrato.
    1. Mergulhe a bolacha de Si no nm de 3-5 solução de sementes Au preparado no passo 1.1 por 2 h.
      1. Para crescer Au nanofios de 15 sementes de Au nm, mergulhe a bolacha de Si da solução de nanopartículas de Au nm 15 por 2 h.
      2. Para crescer Au nanofios de 40 sementes de Au nm, mergulhe a bolacha de Si da solução de nanopartículas de Au nm 40 por 2 h.
    2. Pegue a bolacha de Si e lavá-lo com 50 mL de água DI para remover não absorvido Au nanopartículas.
  3. Cresce os substrato ligado Au nanofios.
    1. Prepare uma solução de ácido (4-MBA) 1,65 mM 4-mercaptobenzoic, dissolvendo a 2,5 mg de 4-MBA em 10 mL de etanol.
    2. Prepare um 5,10 mM HAuCl4 solução dissolvendo 20,1 mg de HAuCl4∙3H2O em uma mistura de 5 mL de etanol e 5 mL de água Desionizada.
    3. Prepare uma solução de ácido L-ascórbico de 12,3 mM dissolvendo 21,7 mg de ácido L-ascórbico em 10 mL de DI água.
    4. Misture 0,5 mL de 5,10 mM HAuCl4 solução com 0,5 mL de solução de 1,65 mM 4-MBA em um frasco de 10 mL.
    5. Mergulhe a bolacha de Si sementes-adsorvido da etapa 2.2.2 na solução mista preparada na etapa 2.3.4.
    6. Adicione 0,5 mL da solução de ácido L-ascórbico de 12,3 mM na solução mista encharcada de bolacha. Agite o frasco delicadamente para misturar uniformemente a solução.
    7. Deixe a bolacha e a solução imperturbada por 15 min. verificar a formação de bolhas durante o processo de crescimento e a mudança de cor da superfície do wafer Si do cinza brilhante ao marrom avermelhado.
    8. Tirar a bolacha de Si e enxaguá-lo com etanol e água. Secar a bolacha de Si em condições ambiente e esperar que a superfície do wafer para se transformou em ouro.
    9. Caracterizar a morfologia dos nanofios Au com o SEM.
  4. Para o crescimento de nanofios Au sobre uma lâmina de vidro, Al2O3, SrTiO3, LaAlO3, óxido da lata do indium (ITO) e substratos de óxido de estanho dopado com F (FTO), siga os mesmos procedimentos, incluindo os processos de limpeza.

3. síntese de nanofios de Au com ligantes diferentes

  1. Síntese de nanofios Au florestas com vários ligantes thiolated: 2-naphthalenethiol (2-NpSH), ácido 4-mercaptophenylacetic (4-MPAA) e ácido 3-mercaptobenzoic (3-MBA).
    1. Trate a bolacha de Si, seguindo os mesmos procedimentos em passos 2.1-2.2.
    2. Prepare uma solução de 2-NpSH 1,65 mM dissolvendo 2,6 mg de 2-NpSH em 10 mL de etanol.
      1. Prepare uma solução de 4-MPAA 1,65 mM dissolvendo 2,8 mg de 4-MPAA em 10 mL de etanol.
      2. Prepare uma solução de 3-MBA de 1,65 mM pela dissolução de 2,5 mg de 3-MBA em 10 mL de etanol.
    3. Prepare a solução de 5,10 mM HAuCl4 e solução ácida 12.3 mM L-ascórbico, seguindo o mesmo procedimento em etapas 2.3.1-2.3.3.
    4. Em um frasco de 10 mL, misture 0,5 mL da solução HAuCl4 com 0,5 mL de solução 2-NpSH e agitar a mistura para obter uma solução homogénea.
      1. Em um frasco de 10 mL, misture 0,5 mL da solução HAuCl4 com 0,5 mL de solução 4-MPAA e agitar a mistura para obter uma solução homogénea.
      2. Em um frasco de 10 mL, misture 0,5 mL da solução HAuCl4 com 0,5 mL de solução de 3-MBA e agitar a mistura para obter uma solução homogénea.
    5. Adicione 0,5 mL da solução de ácido L-ascórbico de 12,3 mM à solução mista encharcada de bolacha. Agite o frasco delicadamente para obter uma solução uniformemente misturada.
    6. Deixe a bolacha e a solução imperturbada por 15 min. observar a superfície do wafer Si transformando lentamente do cinza brilhante ao marrom avermelhado.
    7. Tirar a bolacha de Si e enxaguá-lo com etanol e água e seque a bolacha de Si em condições ambientais até a superfície do wafer se transforma em ouro.
    8. Confirmar que os nanofios Au floresta estrutura com SEM.
  2. Síntese de nanofios de Au cônicos com ligantes mistos.
    1. Síntese de nanofios de Au engrossados com ligantes mistos de ácido 4-MBA e 3-mercaptopropanoic (3-MPA) (4-MBAde c mba/c3-MPA = 3:1).
      1. Trate a bolacha de Si, seguindo os mesmos procedimentos em passos 2.1-2.2, exceto diluir a solução de semente 100 vezes.
      2. Prepare uma solução de 4-MBA de 3mm, dissolvendo 4,6 mg de 4-MBA em 10 mL de etanol.
      3. Prepare uma solução de 3-MPA 3 mM dissolvendo-se 3,2 mg de 3-MPA em 10 mL de etanol.
      4. Misturar 0,75 mL de solução 4-MBA de 3mm com 0,25 mL de solução de 3-MPA 3 mM (em um frasco de 10 mL. Agite delicadamente para obter uma solução homogénea.
      5. Prepare a solução de 5,10 mM HAuCl4 e solução ácida 12.3 mM L-ascórbico, seguindo o mesmo procedimento em etapas 2.3.2-2.3.3.
      6. Adicionar 0,5 mL de 5,10 mM HAuCl4 solução à solução mista na etapa 3.2.1.4 e agite para homogeneizar a solução.
      7. Mergulhe a bolacha de Si da etapa 3.2.1.1 na solução misturada em um frasco de 10 mL. Adicione 0,5 mL da solução de ácido L-ascórbico de 12,3 mM à solução mista.
      8. Depois de 10 min, tirar a bolacha de Si e enxaguar com álcool etílico e água DI.
      9. Secar a hóstia em condições ambiente e confirmar a estrutura pela SEM.
    2. Sintetizar cônico Au nanofios com ligante misto de 4-MBA e 3-MPA (c4-MBA/c3-MPA = 6:4). Em vez disso, seguem os mesmos procedimentos na etapa 3.2.1 com 0,6 mL de solução 4-MBA de 3 mM e 0,4 mL de solução de 3 mM 3-MPA.
    3. Sintetizar cônico Au nanofios com ligantes mistos de 4-MBA e 3-MPA (c4-MBA/c3-MPA = 1:1). Em vez disso, seguem os mesmos procedimentos na etapa 3.2.1 com 0,5 mL de solução 4-MBA de 3 mM e 0,5 mL de solução de 3 mM 3-MPA.

4. síntese de nanoestruturas complexas baseadas em nanofios de Au

  1. Síntese de nanofios de Au segmentares com segmentos grossa-fina-espessa-fina.
    1. Trate a bolacha de Si, seguindo os mesmos procedimentos em passos 2.1-2.2.
    2. Prepare uma solução de 4-MBA de 1,65 mM pela dissolução de 2,5 mg de 4-MBA em 10 mL de etanol.
    3. Prepare uma solução de 4-MBA 0,0830 mM diluindo a solução de 4-MBA de 1,65 mM 20 vezes.
    4. Prepare o HAuCl4 e a solução de ácido L-ascórbico seguindo os mesmos procedimentos em etapas 2.3.2-2.3.3.
    5. Prepare-se 1,5 mL da solução de crescimento A misturando 0,5 mL de solução 4-MBA de 1,65 mM, 0,5 mL de solução de 5,10 mM HAuCl4 e 0,5 mL da solução de ácido L-ascórbico de 12.3 mM (a concentração final: c4-MBA = 0,550 mM, cHAuCl4 = 1,70 mM cácido L-ascórbico = 4,10 mM).
    6. Prepare a 1,5 mL de solução de crescimento B misturando 0,5 mL de solução de 4-MBA 0,0830 mM, 0,5 mL de 5,10 mM HAuCl4 solução, 0,5 mL da solução de ácido L-ascórbico de 12.3 mM (a concentração final: c4-MBA = 0,0280 mM, cHAuCl4 = 1,70 mM, cL-ascórbico ácido = 4,10 mM).
    7. Mergulhe a bolacha de Si em um frasco de 10 mL contendo solução de crescimento B por cerca de 1 min.
    8. Rapidamente transferir a bolacha de Si sem secagem para outro frasco de 10 mL contendo solução de crescimento A e deixe crescer por 2 min.
    9. Repita as etapas 4.1.7-4.1.8 mais uma vez.
    10. Pegue a bolacha de Si e enxágue com 50 mL de etanol e 50 mL de água Desionizada.
    11. Confirmar a estrutura dos nanofios de Au resultantes segmentados por SEM.
  2. Síntese da nanoflowers
    1. Trate a bolacha de Si, seguindo os mesmos procedimentos em passos 2.1-2.2, exceto com um tratamento de plasma 5 min O2 .
    2. Mergulhe a bolacha de Si em um frasco de 10 mL contendo um 10000x diluídos de 3-5 nm solução de sementes Au por 15 min.
    3. Lave a bolacha de Si da etapa 4.2.2 completamente com água para remover não absorvido Au nanopartículas.
    4. Prepare uma solução de crescimento contendo 0,550 mM 4-MBA, 1,70 mM HAuCl4e 4,10 mM ácido-L-ascórbico, seguindo os mesmos procedimentos na etapa 4.1.5.
    5. Mergulhe a bolacha em um frasco de 10 mL contendo a solução de crescimento por 30 s.
    6. Remova a solução de crescimento a bolacha e deixar uma camada fina da solução (~ 13-15 μL) sobre a bolacha.
    7. Secar rapidamente a bolacha à temperatura ambiente.
    8. Confirmar a estrutura de nanoflower por SEM.

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Resultados

A sementes de nanopartículas de Au, Au nanofios ligados a substrato e Au nanoestruturas de derivativos baseados em nanofios são caracterizadas com SEM. Figura 1 mostra as imagens SEM representante de 3-5 nm Au nanopartículas, 15 nm Au nanopartículas e 40 nm Au nanopartículas adsorvidas sobre a bolacha de Si, confirmando seus tamanhos, a adsorção e a distribuição. Os nanofios Au crescidos das respectivas sementes sobre o substrato de bolacha de Si também são a...

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Discussão

O mecanismo desta síntese de nanofios de crescimento ativo de superfície governado foi discutido exaustivamente no anterior trabalho19. Além disso, os efeitos de tipos e tamanhos de sementes, bem como o efeito de tamanhos e tipos de ligante também foram investigadas20,21. Em geral. o crescimento de nanofios é muito diferente da anteriores relatadas rotas. Nenhum modelo é necessário, e o crescimento assimétrico é induzido pelas diferenças e...

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Divulgações

Os autores não têm nada para divulgar.

Agradecimentos

Reconhecemos, com gratidão, o apoio financeiro da Fundação Nacional de ciências naturais da China (21703104), Jiangsu ciência e tecnologia plano (SBK2017041514) Universidade de tecnologia de Nanjing (39837131) e SICAM companheirismo de Jiangsu Nacional sinergética Centro de inovação de materiais avançados.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Citrato trissódico di-hidratadoAlfa AesarLoT: 5008F14U
Borohidreto de sódioFlukaLoT: STBG0330VNaBH4
Tetracloroaurato de hidrogênio (III) trihidratadoAlfa AesarLoT: T19C006HAuCl4
3-aminopropiltrietoxissilanoJ& K ScientificLoT: LT20Q102APTES
Ácido L-ascórbico Sigma-AldrichLoT: SLBL9227V
ácido 4-mercaptobenzóicoSigma-AldrichLoT: MKBV5048V4-MBA
2-NaftalenonotiolSigma-AldrichLoT: BCBP4238V2-NpSH
Ácido 4-mercaptofenilacéticoAlfa AesarLoT: 101991604-MPAA
Ácido 3-mercaptobenzóicoAladdinLoT: G12130273-MBA
3- Ácido mercaptopropiônicoAladdinLoT: E16180953-MPA
etanol absolutoSinopharm químico Reagente20170802
Silício waferZhe Jiang lijingPSi
Microscópio Eletrônico de VarreduraQuanta FEG 250SEM
Centrífuga Eppendorf5424
Kun Shan hechuang
Sistema de água ultrapuraNanJing qianyanUP6682-10-11para água deionizada
Limpador de plasmaHarrick PlasmaPDC-002para plasma de oxigênio
Limpador ultrassônico

Referências

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