Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

סינתזה של המצע מכורך Au Nanowires באמצעות מנגנון הצמיחה הפעילה משטח

Published: July 18, 2018 doi: 10.3791/57808
Automatic Translation
*1, *1, 2, 1, 1, 1, 1, 1,2
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

Summary

. מדווחים שיטה המבוססת על פתרון לסנתז nanowires Au המצע מאוגד. על ידי כוונון של ליגנדים מולקולרית בשימוש במהלך הסינתזה, ניתן לגדל את nanowires Au של סובסטרטים שונים עם מאפייני משטח שונים. Au מבוססי ננו-חוט nanostructures יכול גם להיות מסונתז על ידי התאמת הפרמטרים התגובה.

Abstract

קידום יכולות סינתטי חשוב להתפתחות של וננו -טכנולוגיה. הסינתזה של nanowires מאז ומתמיד אתגר, כפי שהוא דורש התפתחות הגבישים סימטרי אסימטרי. כאן, אנו מדווחים סינתזה ייחודית של המצע מכורך Au nanowires. זו סינתזה ללא תבנית מעסיקה ליגנדים thiolated, המצע ספיחה להשגת בתצהיר אסימטרי רציפה של Au בפתרון-תנאי הסביבה. ליגנד thiolated מנעו בתצהיר Au על פני השטח החשוף של הזרעים, אז העדות Au מתרחשת רק על הממשק בין הזרעים Au המצע. לצד nanowires Au החדש הפקיד מכוסה באופן מיידי ליגנד thiolated, בעוד החלק התחתון מול המצע נשאר ליגנד חופשי ופעיל לסיבוב הבא של התצהיר Au. נדגים בהמשך כי הגידול ננו-חוט הזה Au יכולה להיגרם על מצעים שונים, thiolated שונים ליגנדים יכול לשמש כדי לווסת את הכימיה. משטח של nanowires. הקוטר של nanowires יכולים גם להיות נשלט עם ליגנדים מעורבת, שבה ליגנד "רע" אחר יכול להדליק את הצמיחה לרוחב. עם ההבנה של המנגנון, Au מבוססי ננו-חוט nanostructures יכול להיות מתוכנן, מסונתז.

Introduction

Nanowires אופייני של ננו מימד אחד, בעלי תכונות הקשורות בתפזורת והן תכונותיו הייחודיות שמקורם ההשפעות קוונטית של המבנה ננו. כגשר בין ננו את החומרים סולם בתפזורת, הם נרחב הוחלו בתחומים שונים של התקני זרז חישה, nanoelectronic, וכו '. 1 , 2 , 3.

עם זאת, הסינתזה של nanowires כבר זמן רב אתגר גדול, כפי שהוא דורש בדרך כלל שבירת הסימטריה מהותי בגבישים. באופן מסורתי, תבנית הוא מועסק כדי לווסת את התצהיר של חומרים. לדוגמה, תבנית-electrodeposition שימש במשך היווצרות של סוגים שונים של nanowires Ag nanowires, תקליטורים nanowires4,5,6,7,8,9 ,10. גישה נפוצה אחרת היא צמיחה (VLS) אדי-נוזל נוזל מוצק, אשר מעסיקה זרז מותכת לזירוז הגידול אניסוטרופי על המצע-טמפרטורה גבוהות11. אסטרטגיות נפוצות לסינתזה של מתכת nanowires הן שיטות polyol Ag nanowires בסיוע oleylamine זגוגית Au nanowires12,13,14,15. שתי הגישות הן חומר ספציפי, הפרמטרים nanowire לא מכוונים בקלות במהלך הסינתזה. בנוסף, nanowires מתכת יכול להיווצר גם לפי השיטה מבוססת על הלחץ, בהם חלקיקי מתכת מורכבים באופן מכני דחוס, התמזגו לתוך nanowires16,17,18.

לאחרונה, אנחנו דיווח שיטה ייחודית סינתזה Au nanowires19. עם הסיוע של ליגנד מולקולה קטנה thiolated, nanowires יכול לגדול, יוצרים מערך מיושר אנכית על עיקר סי מצע וופל-תנאי הסביבה. התברר כי ליגנדים לשחק תפקיד חשוב בהתפתחות שבירת סימטריה. הוא נקשר אל פני השטח של הזרעים Au המצע-הספוחה חריפה, מכריח את Au להפקיד באופן סלקטיבי על הממשק ליגנד לקויה בין זרעים, המצע. הממשק בין האיחוד האפריקני החדש הפקיד את המצע נותר ליגנד לקויה, לכן, פני השטח פעילה קיימת לאורך הגידול כולו. על-ידי כיוונון הריכוז ליגנד, הסוג זרע, ריכוז, כמו גם מספר פרמטרים אחרים, סדרה של Au מבוססי ננו-חוט nanostructures יכול להיות מסונתז.

בעבודה זו, אנו נספק פרוטוקול מפורט של סינתזה nanowires נוח הזה Au. הסינתזה נגזר מוצג גם, כולל הסינתזה של Au nanowires עם רכוש משטח הידרופוביות, Au nanowires על מצעים אחרים, מחודדות Au nanowires על ידי ערבוב של nanostructures Au מבוססי ננו-חוט הנוצרת על-ידי כוונון הגידול של ליגנדים שני תנאים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

התראה: בדוק את גיליונות נתונים בטיחות חומרים (MSDS) של הכימיקלים עבור הדרכה מפורטת טיפול ואחסון. בבקשה להיזהר בעת טיפול ננו, כי ייתכן סיכון לא מזוהה. בבקשה לבצע את הניסויים בברדס fume, ללבוש ציוד מגן אישי המתאים.

1. סינתזה של חלקיקים זרע

הערה: כדי למנוע כשל הנגרם על ידי התגרענות מוקדמת במהלך הסינתזה ננו-חלקיק, לשטוף את סרגל כלי זכוכית ומערבבים המשמשים הסינתזה עם aqua regia ולאחר מכן לשטוף ביסודיות עם מים.

  1. סינתזה של 3-5 nm Au חלקיקים
    1. להכין פתרון (HAuCl4) tetrachloroaurate (III) מימן על ידי המסת 10 מ ג של HAuCl4∙3H2O 1 מ"ל של deionization מים (מים DI) בקבוקון 4 מ"ל. פיפטה mL 0.197 של הפתרון4 HAuCl לתוך בקבוקון סיבוב המדרגה 50 מ.
    2. להוסיף 19.7 מ ל מים DI הבקבוק כדי לדלל את הפתרון4 HAuCl.
    3. להמיס 10 מ ג של סודיום ציטרט ב 1 מ"ל מים DI עוד 4 מ"ל בקבוקון להכין פתרון מניות של סודיום ציטרט 1%. להוסיף 0.147 מ של הפתרון סודיום ציטרט 1% הפתרון מדולל HAuCl4 מוכן בשלב 1.1.2.
    4. להכין 0.1 M נתרן borohydride (NaBH4) פתרון על ידי המסת 2.3 מ"ג של NaBH4 ב 0.6 מיליליטר מים DI.
    5. במהירות להזריק 0.6 מ"ל של 0.1 M NaBH4 פתרון לתערובת מהשלב 1.1.3 תחת בחישה נמרצת. בדוק אם יש שינוי צבע מיידית של הפתרון של צהוב חיוור לכתום בהיר.
    6. מערבבים את התערובת על עוד 10 דקות ההמתנה לשינוי צבע הדרגתי של הפתרון כתום אדמדם.
    7. לאשר את גודל חלקיקים Au שהושג עם UV-Vis ספקטרוסקופיה וסריקה מיקרוסקופ אלקטרונים (SEM).
  2. סינתזה של 15 ו- 40 ננומטר Au חלקיקים
    1. להוסיף 100 מ של מים DI בבקבוקון סיבוב המדרגה 250 מ. שוקלת 10 מ ג של HAuCl4∙3H2O מוצקים, לפזר זאת בתוך הבקבוק העגול-התחתון.
    2. להוסיף פס מגנטי מערבבים לתוך הבקבוק ולצייד את הבקבוק עם הקבל. מערבבים וחום הפתרון המבושלות 1.2.1 עד 100 ° C באמבט שמן. רפלוקס הפתרון עבור 10 דקות.
    3. שוקל 40 מ"ג של סודיום ציטרט, לפזר זאת בתוך 4 מיליליטר מים DI להכין פתרון מניות של סודיום ציטרט 1%.
    4. לסנתז 15 ננומטר Au חלקיקים, להוסיף 3 מ"ל של הפתרון סודיום ציטרט 1% משלב 1.2.3 התערובת מבושלת עם מזרק.
      הערה: הצבע של הפתרון פונה אפור ב 1 דקות ולאחר מכן בהדרגה עד אדום.
      1. לסנתז 40 ננומטר Au חלקיקים, להזריק 1.5 מ של הפתרון סודיום ציטרט 1% לפתרון רותחים מהשלב 1.2.2 עם מזרק. שמור את הפתרון רותחים עד אדום כ 10 דקות.
        הערה: הצבע של הפתרון משתנה משקוף בצבע אפור כהה, ואז לשחור, ולבסוף לסגול כ 1 דקות.
    5. להמשיך רפלוקס הפתרון תגובה עבור 30 דקות מגניב למטה הפתרון לטמפרטורת החדר-תנאי הסביבה.
    6. לאפיין את גודל ואת אחידות של חלקיקים Au שנוצר עם UV-Vis ספקטרוסקופיה ו ב- SEM.

2. סינתזה של Au Nanowires (אורך = ~ 500 ננומטר) על פרוסות סיליקון (Si) ותערובות שונות

  1. להכין את המצע ספיחה זרע.
    1. חותכים לחם הקודש סי 5 מ מ 5 מ מ ´ חלקים. לנקות את חתיכות וופל Si עם מים DI ואתנול ברצף באמבט אולטראסוני, כל אחד למשך 15 דקות.
    2. פנקו את לחם הקודש סי עם 29.6 W O2 פלזמה (המופעל-220 V) במשך 20 דקות.
      הערה: פני כשהפחד הופך הידרופילית.
    3. להכין פתרון 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) 5 מ מ על ידי המסת 11.1 מ"ג של APTES על תערובת של מים DI (5 מ"ל) אתנול (5 מ"ל) בבקבוקון 20 מ.
    4. לטבול פיסת סי וופל הפתרון APTES מוכן בשלב 2.1.3 בבקבוקון 20 mL למשך 30 דקות.
    5. להוציא את לחם הקודש סי, לשטוף אותו ביסודיות עם אתנול ומים DI.
  2. לספוח חלקיקים זרע על גבי המצע.
    1. להשרות את לחם הקודש סי 3-5 nm Au זרעים פתרון מוכן בשלב 1.1 עבור 2 h.
      1. לגדול Au nanowires מזרעים Au 15 ננומטר, משרים את לחם הקודש סי בפתרון 15 ננומטר Au nanoparticle כבר שעתיים.
      2. לגדול Au nanowires מזרעים Au 40 ננומטר, משרים את לחם הקודש סי בפתרון 40 ננומטר Au nanoparticle כבר שעתיים.
    2. להוציא את לחם הקודש סי, לשטוף אותו עם 50 מ של מים די כדי להסיר חלקיקים Au unabsorbed.
  3. לגדול nanowires Au את המצע מאוגד.
    1. להכין 1.65 מ מ 4-mercaptobenzoic חומצה (4-MBA) פתרון על ידי המסת 2.5 מ"ג 4-MBA ב- 10 מ"ל אתנול.
    2. הכן של מ מ 5.10 HAuCl4 פתרון על ידי המסת 20.1 מ"ג של HAuCl4∙3H2O בתערובת של 5 מ"ל אתנול ו 5 מ ל מים DI.
    3. הכן תמיסה חומצית 12.3 מ מ אסקורבית L על ידי המסת 21.7 מ"ג חומצה אסקורבית L ב- 10 מ"ל של די מים.
    4. מערבבים 0.5 מ ל מ מ 5.10 HAuCl4 פתרון עם 0.5 מ של 1.65 מ מ 4-MBA פתרון בקבוקון 10 מ"ל.
    5. משרים זרע-הספוחה כשהפחד סי מ שלב 2.2.2 בפתרון מעורב מוכן בשלב 2.3.4.
    6. להוסיף 0.5 מ ל תמיסה חומצית 12.3 מ מ אסקורבית L בתוך תמיסת מעורב ספוג וופל. מנערים את הצנצנת בעדינות כדי לערבב את הפתרון באופן שווה.
    7. להשאיר את לחם הקודש וסמנו הפתרון ללא הפרעה במשך 15 דקות היווצרות בועה במהלך תהליך צמיחה, שינוי הצבע של פני השטח של כשהפחד סי מ אפור מבריק לחום אדמדם.
    8. להוציא את לחם הקודש סי, לשטוף אותו עם אתנול ומים DI. יבש כשהפחד סי-תנאי הסביבה והמתן פני כשהפחד לפנות זהב.
    9. לאפיין את המורפולוגיה של nanowires Au ב- SEM.
  4. לצמיחה של Au nanowires על משטח זכוכית, אל2O3, SrTiO3, LaAlO3, תחמוצת בדיל אינדיום (ITO) ו- F-מסטול תחמוצת בדיל (FTO) מצעים, בצע את ההליכים באותו, כולל את תהליכי הניקוי.

3. סינתזה של Au Nanowires עם ליגנדים שונים

  1. סינתזה של ננו-חוט Au יערות עם ליגנדים thiolated שונים: 2-naphthalenethiol (2-NpSH), 4-mercaptophenylacetic חומצה (4-MPAA), חומצה 3-mercaptobenzoic (3-MBA).
    1. פנקו את לחם הקודש סי בעקבות אותם הליכים בשלבים 2.1-2.2.
    2. להכין פתרון 2-NpSH מ מ 1.65 על ידי המסת 2.6 מ ג 2-NpSH ב- 10 מ"ל אתנול.
      1. להכין פתרון 4-MPAA 1.65 מ מ על ידי המסת 2.8 מ ג 4-MPAA ב 10 מ"ל אתנול.
      2. להכין פתרון 3-MBA 1.65 מ מ על ידי המסת 2.5 מ"ג 3-MBA ב- 10 מ"ל אתנול.
    3. להכין את פתרון 5.10 מ"מ HAuCl4 ו- 12.3 מ מ אסקורבית L תמיסה חומצית, באותו ההליך ב שלבים 2.3.1-2.3.3.
    4. בקבוקון 10 מ"ל, מערבבים 0.5 מ"ל של הפתרון4 HAuCl עם 0.5 מ של פתרון 2-NpSH, לנער את התערובת כדי לקבל פתרון הומוגני.
      1. בקבוקון 10 מ"ל, מערבבים 0.5 מ"ל של הפתרון4 HAuCl עם 0.5 מ של פתרון 4-MPAA, לנער את התערובת כדי לקבל פתרון הומוגני.
      2. בקבוקון 10 מ"ל, מערבבים 0.5 מ"ל של הפתרון4 HAuCl עם 0.5 מ של פתרון 3-MBA, לנער את התערובת כדי לקבל פתרון הומוגני.
    5. להוסיף 0.5 מ ל תמיסה חומצית 12.3 מ מ אסקורבית L הפתרון מעורב ספוג וופל. מנערים את הצנצנת בעדינות כדי לקבל פתרון מעורבים באופן שווה.
    6. להשאיר את לחם הקודש ואת הפתרון ללא הפרעה במשך 15 דקות להתבונן פני כשהפחד סי פונים לאט מ אפור מבריק חום אדמדם.
    7. להוציא את לחם הקודש סי לשטוף אותו עם אתנול ומים DI ו יבש כשהפחד סי-תנאי הסביבה עד פני כשהפחד הופך לזהב.
    8. לאשר ש-nanowires Au יער מבנה עם-SEM.
  2. סינתזה של nanowires Au מחודדות עם ליגנדים מעורבת.
    1. סינתזה של nanowires Au מעובה עם ליגנדים מעורבות של חומצה 4-MBA ו- 3-mercaptopropanoic (3-MPA) (c4-MBA/c3-MPA = 3:1).
      1. פנקו כשהפחד סי בעקבות אותם הליכים בשלבים 2.1-2.2, אלא לדלל את הפתרון זרע 100 פעמים.
      2. להכין 3 מ מ 4-MBA פתרון על ידי המסת 4.6 מ ג 4-MBA ב- 10 מ"ל אתנול.
      3. להכין 3 מ מ 3-MPA פתרון על ידי המסת 3.2 מ ג 3-MPA של 10 מ"ל אתנול.
      4. מערבבים 0.75 מ של 3 מ מ 4-MBA פתרון עם 0.25 מ של 3 מ מ 3-MPA פתרון (בקבוקון 10 מ"ל. מנערים בעדינות כדי לקבל פתרון הומוגני.
      5. להכין את פתרון 5.10 מ"מ HAuCl4 ו- 12.3 מ מ אסקורבית L תמיסה חומצית, באותו ההליך ב שלבים 2.3.2-2.3.3.
      6. להוסיף 0.5 מ ל מ מ 5.10 HAuCl4 פתרון הפתרון מעורב בשלב 3.2.1.4 ומנערים בעדינות כדי homogenize את הפתרון.
      7. משרים את לחם הקודש סי מ שלב 3.2.1.1 בפתרון מעורב בבקבוקון 10 מ. להוסיף 0.5 מ ל תמיסה חומצית 12.3 מ מ אסקורבית L הפתרון מעורבת.
      8. לאחר 10 דקות, להוציא את לחם הקודש סי ולשטוף עם אתנול ומים DI.
      9. יבש את לחם הקודש על תנאי הסביבה, לאשר את המבנה על ידי ב- SEM.
    2. לסנתז nanowires Au מחודדות עם ליגנד מעורב 4-ותואר ראשון 3-MPA (c4-MBA/c3-MPA = 6:4). בצע את ההליכים באותו שלב 3.2.1 עם 0.6 מ"ל של 3 מ מ 4-MBA פתרון ו- 0.4 מ של 3 מ מ 3-MPA פתרון במקום.
    3. לסנתז nanowires Au מחודדות עם ליגנדים מעורב 4-ותואר ראשון 3-MPA (c4-MBA/c3-MPA = 1:1). בצע את ההליכים באותו שלב 3.2.1 0.5 מ של 3 מ מ 4-MBA פתרון ו- 0.5 מ של 3 מ מ 3-MPA פתרון במקום.

4. סינתזה של מבוססי ננו-חוט Nanostructures מורכבים Au

  1. סינתזה של סגמנטלי nanowires Au עבה-דק-עבה מקטעים.
    1. פנקו את לחם הקודש סי בעקבות אותם הליכים בשלבים 2.1-2.2.
    2. להכין פתרון 4-MBA 1.65 מ מ על ידי המסת 2.5 מ"ג 4-MBA ב- 10 מ"ל אתנול.
    3. להכין פתרון 4-MBA מ"מ 0.0830 דילול הפתרון 4-MBA 1.65 מ מ 20 פעמים.
    4. להכין את HAuCl-4 פתרון חומצה אסקורבית L באותו הפרוצדורות הבאות ב שלבים 2.3.2-2.3.3.
    5. הכן 1.5 מ של צמיחה פתרון A על ידי ערבוב 0.5 מ של 1.65 מ מ 4-MBA פתרון, 0.5 מ ל מ מ 5.10 HAuCl-4 פתרון ו- 0.5 מ ל תמיסה חומצית 12.3 מ מ אסקורבית L (הריכוז הסופי: c4-MBA = 0.550 מ מ, גHAuCl4 = 1.70 מ מ cחומצה אסקורבית L = 4.10 מ מ).
    6. הכן 1.5 מ של צמיחה פתרון B על ידי ערבוב 0.5 מ"ל של מ מ 0.0830 4-MBA פתרון, 0.5 מ ל מ מ 5.10 HAuCl4 פתרון, 0.5 מ ל תמיסה חומצית 12.3 מ מ אסקורבית L (הריכוז הסופי: c4-MBA = 0.0280 מ מ, גHAuCl4 = 1.70 מ, גאסקורבית L חומצה = 4.10 מ מ).
    7. לטבול את לחם הקודש סי בבקבוקון 10 מ"ל המכיל צמיחה פתרון B כ- 1 דקות.
    8. במהירות העברה כשהפחד סי ללא ייבוש כדי עוד 10 מ"ל בקבוקון המכיל צמיחה פתרון A ולהשאיר לה לגדול למשך 2 דקות.
    9. חזור על צעדים 4.1.7-4.1.8 עוד פעם אחת.
    10. . תוציא את לחם הקודש סי ולשטוף עם 50 מ של אתנול, 50 מ של מים DI.
    11. לאשר את המבנה של nanowires Au מקוטע הנוצרת על ידי ב- SEM.
  2. סינתזה של nanoflowers
    1. פנקו את לחם הקודש סי בעקבות אותם הליכים בשלבים 2.1-2.2, למעט עם טיפול פלזמה2 5 דקות O.
    2. משרים את לחם הקודש סי בבקבוקון 10 מ"ל המכיל של 10000 x מדולל 3-5 nm Au פתרון זרעים למשך 15 דקות.
    3. לשטוף את לחם הקודש סי מ שלב 4.2.2 ביסודיות עם מים די כדי להסיר חלקיקים Au unabsorbed.
    4. להכין פתרון צמיחה המכיל 4 מ מ 0.550-MBA, 1.70 מ מ HAuCl4ו- 4.10 מ מ L--חומצה אסקורבית, בעקבות ההליכים באותו שלב 4.1.5.
    5. משרים את לחם הקודש בבקבוקון 10 מ"ל המכיל הפתרון צמיחה עבור 30 s.
    6. להסיר את לחם הקודש של הפתרון צמיחה ולהשאיר שכבה דקה של הפתרון (~ 13-15 μL)-לחם הקודש.
    7. במהירות מייבשת כשהפחד בטמפרטורת החדר.
    8. לאשר את מבנה nanoflower על ידי ב- SEM.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Au nanoparticle זרעים, את המצע מכורך Au nanowires, Au מבוססי ננו-חוט nanostructures נגזרות מאופיינים ב- SEM. איור 1 מציג את תמונות SEM נציג 3-5 nm Au חלקיקים, 15 ננומטר חלקיקים Au ו-40 ננומטר Au חלקיקים הספוחה על כשהפחד סי, המאשר שלהם גדלים, ספיחה והפצה. Nanowires Au גדל מן הזרעים בהתאמה על מצע וופל סי גם מוצגים. תמונות SEM נציג של סובסטרטים nanowires Au טיפוסי פרט מצע וופל, קרי, המצע זכוכית, וכו '. מוצגים באיור2. תמונות SEM נציג nanowires מעובה מסונתז עם ליגנדים שונים, מעורבות ליגנדים מוצגים באיור3. תמונות SEM נציג של nanowires סגמנטלי, מבנה nanoflower מוצגים באיור4.

Figure 1
איור 1: תמונות SEM של הזרעים nanoparticle Au לפני nanowire צמיחה: (א) 3-5 nm(b) 15 ננומטר, ו (ג) 40 ננומטר חלקיקים Au. Nanowires Au גדל מן nm (ד) 3-5, (ה) 15 ננומטר (נ) 40 ננומטר זרעים על מצע וופל. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2: תמונות SEM של nanowires Au גדל על המצע חוץ וופל סי. Nanowires צמחה: () אל2O3(b) SrTiO3, שקופיות (c) LaAlO3 (ד) זכוכית, מצעים FTO איטו, (f) (e). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3: תמונות SEM של מסונתז עם אחר ליגנדים. ננו-חוט זגוגית מערכים הקים עם ליגנדים () MPAA, (b) 2-Naphthalenethiol, (ג) 3-MBA. מחודדות nanowires Au הקים עם ליגנדים מעורב 4-ותואר ראשון 3-MPA: (ד) ג4-MBA : c3-MPA = 3:1, (e) ג4-MBA : c3-MPA = c, 6:4 ו (f)4-MBA : c3-MPA = 1:1. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4: תמונות SEM של מורכבות מבוססות-Au NW nanostructures. () Segmental ננו-חוט עבה-דק-עבה מקטעים; nanoflowers (b) על ידי ייבוש הפתרון צמיחה על המצע. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

המנגנון של סינתזה nanowire הצמיחה הפעילה השטח נשלט הזה נדון באופן מקיף עבודה קודמות19. בנוסף, את ההשפעות של סוגים וגדלים של זרע, כמו גם את ההשפעה של ליגנד סוגים וגדלים היו גם ובדוקים20,21. בדרך כלל. הגידול ננו-חוט שונה מאוד מן הקודם שדווחה הכבישים. אין תבנית נדרש, הגידול אסימטרי הנגרמת על ידי ההבדלים בין פני השטח Au ליגנד הכתיר את המשטחים Au מול המצע. השטח הפעיל נותר פעיל לאורך כל התהליך כל הצמיחה, מאז השטח Au הופקדו לאחרונה הוא תמיד טריים וליגנד לקויה. כאן אנחנו התרכזתי הדיון שלנו הפעולה ניסיוני בביצוע סינתזה זו. התגובה מתרחשת בתנאי הסביבה; בכל זאת, כמה נקודות עדיין צריך להדגיש על בקרה טובה יותר של סינתזה nanostructures האלה.

הסינתזה של nanowires Au מתחילה עם הכנת זרע חלקיקים. באופן כללי, כל nanostructures Au יכול להיות מועסק הזרע לגידול nanowires. עם זאת, הצפיפות של הזרעים על המצע חשוב התצהיר Au הבאים ואת תהליך הגידול ננו-חוט. צפיפות הזרע מחליט הצפיפות של אתר פעיל, איפה האיחוד האפריקני להפקיד על גבי. אם הריכוזים של ליגנד, HAuCl4 , חומצה אסקורבית L נשמרים קבועה, כמות Au מופחת ליחידת זמן תהיה אותה. כתוצאה מכך, nanowire Au גדל על כל אתר פעיל יהיה הרבה יותר מהר, nanowires שהושג יהיה ארוך אם צפיפות הזרע פוחתת. תרחיש אפשרי אחר יהיה המראה ואת התפשטות חבילות nanowire Au, מאז מדי התצהיר Au-אתר פעיל אחד היה לגרום הרחבה, לפצל את השטח הפעיל. הצפיפות של הזרע על המצע יכול להישלט על-ידי שני אמצעים: זמן הדגירה זרע וריכוז של הפתרון זרע נהגה דגירה המצע. ראוי להזכיר כי ריכוזי חלקיקים Au פתרון המתוארים כאן אינם זהים, ההבדל יכול להיות בתוך סדרי גודל. לכן, הריכוז של הפתרון זרע לפעמים יהיה הכרחי כפי שמוצג התוצאה נציג השוואת של 3-5 nm ו 15 ננומטר Au חלקיקים, nanowire Au צמחה שאינם מרוכזים 40 ננומטר Au חלקיקים עוד הרבה זמן, צורות צרורות. מצד שני, צפיפות הזרע בכוונה מופחתת כאשר מכינים את nanowires עבה עם ליגנדים מעורבת. זה כדי למנוע את הפיוז'ן nanowires, הגידול לרוחב במהלך הגידול ננו-חוט עבה במקרה בו זמנית עם התארכות האורך. זרע צפופה ספיחה יוביל פיוז'ן של הזרעים Au לסרט Au רציפה בשלב ממש בהתחלה, מניעת הגידול ננו-חוט נוסף.

המצע ספיחה של הזרע חשוב ליצירת של אסימטריה שיטתי על פני הזרע Au. אנו משתמשים את siloxane הכיל אמין כדי להשיג את הקובץ המצורף של הזרעים Au. בדרך כלל מקובל כי הזרעים Au הם הספוחה על ידי האינטראקציה אלקטרוסטטית בין הקבוצה amine nanoparticle משטח22. במקרים מסוימים שבהם החלקיקים זרע באופן חיובי מחויב, השחקנים ואת שיטת יבש יכול גם להיות מועסק. APTES מקושר על-פני השטח שבב וופל וזכוכית דרך הקשר Si-O לאחר hydrolyzing בפתרון מים/אתנול. תיאורטית, כל משטח יכול לדחוס עם APTES יוכל לקדם את הצמיחה של Au nanowires. בעבודה זאת, נדגים זאת עם מספר משטחי תחמוצת. טיפול פלזמה2 O יש צורך חלקית נישחק על פני המצע, שתל את הקבוצה -OH יכול לדחוס עם APTES. הטיפול פלזמה2 O נבחר בשל נוהל מבצע נקי ופשוט שלה; אחרת, פיראניה פתרון יכול לשמש גם כדי ליצור את קבוצות -OH. נקודה מרכזית נוספת לשם הכנת המצע הוא ריכוז ה -NH2 משטח עשוי גם שיש השפעה משמעותית על ספיחה זרע. למרות שאנחנו יכול ישירות מאפיינת את התוצאה של טיפול פני שטח, ההליך הפעולה צריכה להיעשות במדויק ככל האפשר.

רחיצת המצע לאחר כל שלב חיוני לפעמים, במיוחד לאחר הטיפול APTES. מולקולת APTES חינם יכול לספוח גם על פני השטח חלקיקים Au. ללא שטיפה יסודית, הפתרון זרע לצבור באופן משמעותי במהלך תהליך הספיגה. הזרעים צבורים ניתן עדיין לספוח על המצע, לעודד את הצמיחה nanowire Au. עם זאת, מאז צבירת יפחית באופן משמעותי את הריכוז של הזרעים, הצפיפות של האתרים פעיל גם פוחתת בצורה אקספוננציאלית. כתוצאה מכך, העליון של האזור nanowires הסופי יהיה agglomerates nanoparticle Au, nanowires להפוך חס על חבילות במקום יער.

טיפוסי Au nanowire צמיחה לוקח מקום הממס מעורבות של מים ושל אתנול (v/v = 1:1). מאז ליגנד 4-תואר שני במנהל עסקים הוא לא מסיסים באתנול, זה צריך קודם להיות מומס הפתרון אתנול ולאחר מכן מעורבב עם התוצאה של הפתרון צמיחה. מלבד העניין מסיסות, היחס הממס עצמו גם ממלא תפקיד משמעותי בהחלטה הגידול ננו-חוט. האזור של פני השטח הפעיל יקבע על ידי היחס ספיחה ליגנד וקצב התצהיר של Au. היכולת הפחתה של חומצה אסקורבית L משתנה ממיסים שונים ו pH שונים בסביבות23. שינוי היחס ממס ישתנה הקצב של הפחתת Au והתצהיר מיד. הגדלת שיעור מים מדי יכול לגרום מהירה הפחתת Au ואפשרי התגרענות הומוגנית, אשר מונע את הצמיחה של nanowires Au המצע מאוגד.

בדומה היחס הממס, ריכוז ליגנדים גם משפיע ישירות על היווצרות ננו-חוט, כפי שהוא לא רק passivates פני השטח Au, אבל גם מייצב האיחוד האפריקני מונע התגרענות הומוגנית. כמות עודפת של ליגנד להאט באופן משמעותי ההפחתה Au. למשל, הגדלת ריכוז ליגנד 5 פעמים-2.5 מ מ תגרום בעדות Au אין על המצע21. הקטנת ריכוז ליגנד יגרום הגידול ננו-חוט קוטר ו התגרענות לפעמים הומוגנית, האחד האחרון המסומן באמצעות השינוי של פתרון של צבע אפרפר או אדמדם. התגרענות הומוגנית להתחרות עם הגידול ננו-חוט Au הטרוגנית עבור זינה Au. תלוי בדרגת התגרענות הומוגנית, הגידול ננו-חוט Au אולי אפשר לחלוטין או חלקית לכבות את המחסור Au האכלה מניות.

לסיכום, נדגים שיטה להכין מצע מכורך nanowires Au-סובסטרטים. Nanowires Au טופס מערך על פני המצע שטוח. האורך והרוחב, צפיפות מכוונים בקלות על-ידי שינוי הפרמטרים התגובה. ניתן להתאים את הכימיה. משטח של nanowires על ידי ליגנדים, nanowires מעובה יכול להיווצר על ידי ערבוב שני סוגים שונים של ליגנדים. יתר על כן, Au, נגזר nanowires מורכבים Au nanostructures יכול להיווצר על-ידי שילוב מספר תנאי גידול שונים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

אנו להכיר בהכרת תודה התמיכה הכלכלית הלאומי מדעי הטבע קרן של סין (21703104), ג'יאנגסו מדע, טכנולוגיה תוכנית (SBK2017041514) אוניברסיטת Tech נאנג'ינג (39837131), SICAM אחוות של ג'יאנגסו הלאומית סינרגטית מרכז חדשנות חומרים מתקדמים.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Trisodium citrate dihydrate Alfa Aesar LoT: 5008F14U
Sodium borohydride Fluka LoT: STBG0330V NaBH4
Hydrogen tetrachloroaurate(III) trihydrate Alfa Aesar LoT: T19C006 HAuCl4
3-aminopropyltriethoxysilane J&K Scientific LoT: LT20Q102 APTES
L-ascorbic acid  Sigma-Aldrich LoT: SLBL9227V
4-mercaptobenzoic acid Sigma-Aldrich LoT: MKBV5048V 4-MBA
2-Naphthalenethiol Sigma-Aldrich LoT: BCBP4238V 2-NpSH
4-Mercaptophenylacetic acid Alfa Aesar LoT: 10199160 4-MPAA
3-mercaptobenzoic acid Aladdin LoT: G1213027 3-MBA
3-Mercaptopropionic acid Aladdin LoT: E1618095 3-MPA
absolute ethanol Sinopharm chemical Reagent 20170802
Silicon wafer Zhe Jiang lijing P Si
Scanning Electron Microscope Quanta FEG 250 SEM
Centrifuge  Eppendorf 5424
Ultrasonic cleaner  Kun Shan hechuang
Ultra-pure water system NanJing qianyan UP6682-10-11 for deionized water
Plasma cleaner Harrick Plasma PDC-002 for oxygen plasma

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Yao, S. Z., et al. A Compartment-less Nonenzymatic Glucose-air Fuel Cell with Nitrogen-doped Mesoporous Carbons and Au Nanowires as Catalysts. Energy & Environmental Science. 6, 3600-3604 (2013).
  2. Gu, H. W., et al. Highly Efficient Synthesis of N-Substituted Isoindolinones and Phthalazinones Using Pt Nanowires as Catalysts. Organic Letters. 14, 1876-1879 (2012).
  3. Patolsky, F., et al. Nanowire-based Nanoelectronic Devices in the Life sciences. MRS Bulletin. 32, 142-149 (2007).
  4. Schwarzacher, W., et al. Templated Electrodeposition of Silver Nanowires in a Nanoporous Polycarbonate Membrane from a Nonaqueous Ionic Liquid Electrolyte. Applied Physics A-Mater. 86, 373-375 (2007).
  5. Song, L. X., et al. Template-Electrodeposition Preparation and Structural Properties of CdS Nanowire Arrays. Microelectronic Engineering. 83, 1971-1974 (2006).
  6. Song, J., et al. A New Twist on Nanowire Formation: Screw-Dislocation-Driven Growth of Nanowires and Nanotubes. Journal of Physical Chemistry Letters. 1, 1472-1480 (2010).
  7. Lim, S. K., et al. Controlled Modulation of Diameter and Composition along Individual III-V Nitride Nanowires. Nano Letters. 13, 331-336 (2012).
  8. Xu, J. M., et al. Electrochemical Fabrication of CdS Nanowire Arrays in Porous Anodic Aluminum Oxide Templates. Journal of Physical Chemistry. 33, 14037-14047 (1996).
  9. Lee, S. T., et al. High-density, Ordered Ultraviolet Light-emitting ZnO Nanowire Arrays. Advanced Materials. 15, 838-841 (2003).
  10. Tang, Y. Q., et al. Electrochemically Induced Sol-Gel Preparation of Single-Crystalline TiO2 Nanowires. Nano Letters. 2, 717-720 (2002).
  11. Yang, H. J., et al. Vapor-liquid-solid Growth of Silicon Nanowires Using Organosilane as Precursor. Chemical Communications. 46, 6105-6107 (2010).
  12. Xia, Y. N., et al. Ultrathin Gold Nanowires Can Be Obtained by Reducing Polymeric Strands of Oleylamine−AuCl Complexes Formed via Aurophilic Interaction. Journal of the American Chemical Society. 130, 8900-8901 (2008).
  13. Miguel, J. Y., et al. Helical Growth of Ultrathin Gold-Copper Nanowires. Nano Letters. 16, 1568-1573 (2016).
  14. Sun, S. H., et al. Ultrathin Au Nanowires and Their Transport Properties. Journal of the American Chemical Society. 130, 8902-8903 (2008).
  15. Sun, S. H., et al. Growth of Au Nanowires at the Interface of Air/Water. Journal of Physical Chemistry. C. 113, 15196-15200 (2009).
  16. Wu, H. M., et al. Nanostructured Gold Architectures Formed through High Pressure-Driven Sintering of Spherical Nanoparticle Arrays. Journal of the American Chemical Society. 132, 12826-12828 (2010).
  17. Wu, H. M., et al. Pressure-Driven Assembly of Spherical Nanoparticles and Formation of 1D-Nanostructure Arrays. Angewandte Chemie International Edition. 7, 8431-8434 (2010).
  18. Li, B. S., et al. Stress-induced Phase Transformation and Optical Coupling of Silver Nanoparticle Superlattices into Mechanically Stable Nanowires. Nature Communications. 5, 4179 (2014).
  19. Chen, H. Y., et al. Forest of Gold Nanowires: A New Type of Nanocrystal Growth. ACS Nano. 7, 2733-2740 (2013).
  20. Wang, Y. W., et al. Exploiting Rayleigh Instability in Creating Parallel Au Nanowires with Exotic Arrangements. Small. 12, 930-938 (2016).
  21. Wang, Y. W., et al. Effect of Thiolated Ligands in Au Nanowires Synthesis. Small. 13, 1702121 (2017).
  22. Gedanken, A., et al. The surface chemistry of Au colloids and their interactions with functional amino acids. Journal of Physical Chemistry B. 108, 4046-4052 (2004).
  23. Xia, Y. N., et al. Shape-Controlled Synthesis of Pd Nanocrystals in Aqueous Solutions. Advanced Functional Materials. 19, 189-200 (2009).

Tags

כימיה גיליון 137 nanowire מתכת זהב נזרע צמיחה ליגנד thiolated המצע מורפולוגיה שליטה
סינתזה של המצע מכורך Au Nanowires באמצעות מנגנון הצמיחה הפעילה משטח
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wang, X., Wu, X., He, J., Tao, X.,… More

Wang, X., Wu, X., He, J., Tao, X., Li, H., Zhao, G., Wang, Y., Chen, H. Synthesis of Substrate-Bound Au Nanowires Via an Active Surface Growth Mechanism. J. Vis. Exp. (137), e57808, doi:10.3791/57808 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter