Коллоидный Синтез Nanopatch Антенны для применения в плазмоники и нанофотоники

Общая цель этой экспериментальной процедуры состоит в том, чтобы продемонстрировать технику изготовления нанопатч-антенн, которые могут обеспечить индивидуальные взаимодействия света и материи, такие как сильно усиленная флуоресценция. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в нанофотонном и плазмонном сообществах, например, как достичь высокого усиления флуоресценции и управления другими связанными подпроцессами. Основное преимущество этого метода заключается в том, что он позволяет осуществлять крупномасштабное производство наноантенн, где размер критического элемента может контролироваться в масштабе одного нанометра.

Эту процедуру будут демонстрировать Тханг Хоанг, научный сотрудник, и Цзяни Хуанг, аспирант из моей лаборатории. Начните процедуру синтеза с погружения очищенной колбы с круглым дном в нагревательную баню, примерно на 10 мм вглубь жидкости. Затем с помощью микропипетки поместите 10 мл этиленгликоля (EG) в колбу с круглым дном.

Наденьте колпачок на колбу и подождите 20 минут. Целью этого этапа является очистка колбы с помощью EG. Через 20 минут снимите крышку, а затем выньте колбу с круглым дном из нагревательной бани. Выньте весь зажим, так как раствор EG горячий.

Вылейте 10 мл EG в контейнер для утилизации, следя за тем, чтобы магнитная мешалка не выпала. Поставьте колбу обратно в нагревательную баню. С помощью микропипетки добавьте 5 мл EG в колбу и наденьте крышку.

Подождав 5 минут, снимите крышку и с помощью микропипетки поместите в колбу 60 микролитров гидрата гидросульфида натрия. Снова наденьте крышку и подождите две минуты. Через две минуты снимите крышку и с помощью микропипетки поместите 500 микролитров раствора соляной кислоты в колбу.

Сразу же с помощью микропипетки добавьте 1,25 мл раствора ПВП в колбу, прежде чем снова надеть крышку и подождать две минуты. Сняв колпачок, с помощью микропипетки поместите 400 микролитров раствора трифторацетата серебра в колбу и снова наденьте колпачок. Подождите 2,5 часа.

На этом этапе формируются нанокубики серебра. На протяжении всего этого времени уменьшите освещенность помещения до минимума. Через 2,5 часа выключите нагреватель, но оставьте помешивание включенным, чтобы избежать пригорания жидкости на дне.

С помощью хомута поднимите колбу над нагревательной баней, и снимите крышку. Затем снимите колбу с нагревательной бани, чтобы она быстрее остыла. Примерно через 20 минут добавьте в колбу 5 мл ацетона.

Сделайте его вихревым, чтобы растворы хорошо перемешались. В итоге общий объем раствора составляет 12 мл. С помощью микропипетки переложите окончательный раствор в восемь меньших пластиковых пробирок объемом 1,5 мл.

Центрифугируйте эти восемь пробирок со скоростью 5, 150 G в течение десяти минут. В результате все нанокубики серебра находятся на дне пробирок. С помощью микропипетки удалите верхнюю надосадочную жидкость, оставив примерно 100 микролитров на дне каждой пробирки.

Затем добавьте по 1 мл деионизированной воды в каждую из этих пробирок. Сделайте вихревую и ультразвуковую обработку трубок. В настоящее время нанокубы находятся во взвешенном состоянии в основном в деионизированной воде.

Повторите этап центрифугирования-ресуспендирования еще раз. Сначала нанесите слой полиаллелеамина гидрохлорида, или ПАУ, погрузив золотую пленку в раствор ПАУ на пять минут. В результате получается слой ПАУ поверх золотой пленки толщиной примерно 1 нанометр.

Через пять минут промойте золотую пленку с помощью чистой деионизированной воды. Теперь поверх золотой пленки находится один слой ПАУ. Далее погрузите золотую пленку с одним слоем ПАУ в раствор хлорида натрия на одну минуту.

Затем погрузите золотую пленку с одним слоем ПАУ в полистиролсульфонат или раствор ПСС на пять минут. В результате получается слой ПСС толщиной примерно 1 нанометр поверх слоя ПАУ. Продолжайте этот процесс, чтобы нанести в общей сложности пять слоев полиэлектролита на золотую пленку.

Капните 100 микролитров 25 микромолярного раствора цианина-5 на поверхность образца. Затем сверху на каплю раствора положите чистую крышку-крышку. Молекулы цианина-5 равномерно включаются в верхние слои полиэлектролита.

Через десять минут промойте образец деионизированной водой, а затем высушите его, используя чистый газообразный азот. Для формирования нанопатч-антенн необходимо разбавить приготовленный раствор нанокуба в 100 раз, используя деионизированную воду, чтобы обеспечить оптическое исследование отдельных нанопатч-антенн. С помощью микропипетки нанесите каплю 20 микролитров разбавленного раствора нанокуба на чистую крышку.

Поместите образец в соприкосновение с крышкой на две минуты. В результате нанокубики серебра иммобилизуются на верхнем концевом слое ПАУ, потому что синтезированные здесь нанокубики заряжены отрицательно, а верхний слой ПАУ заряжен положительно. Через две минуты промойте образец деионизированной водой и высушите его, используя чистый газообразный азот.

Здесь представлены репрезентативные изображения нанокубов серебра, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии. Здесь образец был изготовлен с использованием неразбавленного раствора нанокубиков. Тогда как на этих снимках образец был разбавлен и в десять, и в сто раз.

Во всех случаях наблюдаются нанокубики относительно равномерного размера, характеризующиеся острыми углами, с радиусом кривизны около 10 нанометров. Здесь представлены репрезентативные оптические характеристики окончательных нанопатч-антенн со встроенными молекулами красителя цианина-5. Измерения отражения ансамбля нанопатч-антенн показывают характерный плазмонный резонанс на глубине 650 нанометров.

Измерения рассеяния отдельных наноантенн показывают резонанс на той же длине волны, но с меньшей шириной. Изображения темного поля образца показывают ограниченные дифракцией пятна с равномерным красным цветом, что указывает на то, что большинство нанопатч-антенн имеют очень похожие резонансы из-за хорошей однородности размеров изготовленных нанокубов. Наконец, наблюдается значительное усиление флуоресценции встроенных молекул красителя цианина-5.

После освоения эта техника изготовления может быть завершена за пять часов, если она выполнена правильно. После своего развития этот метод проложил путь исследователям в области нанофотоники и плазмоники к изучению фундаментальных прикладных взаимодействий металлов и потенциальных применений в оптоэлектронных устройствах с неповерхностью, включая светоизлучающие диоды, высокоэффективные фоторефлекторы и квантовую информатику. После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее представление о том, как изготавливать нанопатч-антенны с использованием коллоидально синтезированных нанокубов серебра для обеспечения улучшенного взаимодействия света и материи.