Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Syntese af substrat-bundet Au Nanowires Via en aktiv overflade vækst mekanisme

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

Vi rapporterer en løsning-baseret metode til at syntetisere substrat-bundet Au nanowires. Ved tuning de molekylære ligander anvendes under syntesen, kan Au nanowires dyrkes fra forskellige substrater med forskellige overfladeegenskaber. AU Nanotråd-baseret nanostrukturer kan også syntetiseres ved at justere parametrene reaktion.

Abstract

Fremme syntetiske kapaciteter er vigtigt for udviklingen af nanovidenskab og nanoteknologi. Syntesen af nanowires har altid været en udfordring, da det kræver en asymmetrisk vækst af symmetrisk krystaller. Her rapporterer vi en karakteristisk syntese af substrat-bundet Au nanowires. Denne skabelon-fri syntese beskæftiger thiolated ligander og substrat adsorption til opnå løbende asymmetriske aflejring af Au i løsning på omgivende betingelser. Thiolated ligand forhindret Au aflejring på den synlige overflade af frø, så Au deposition kun opstår på grænsefladen mellem Au frø og substrat. Siden af den nye deponerede Au nanowires er straks dækket med thiolated ligand, mens bunden vender substratet forbliver ligand-fri og aktiv for den næste runde af Au deposition. Vi viser yderligere, denne Au Nanotråd vækst kan induceres på forskellige substrater, og forskellige thiolated ligander kan bruges til at regulere overfladekemi af nanowires. Diameteren af nanowires kan også styres med blandet ligander, hvor en anden "dårlige" ligand kunne tænde den laterale vækst. Med forståelsen af mekanismen, kan Au Nanotråd-baseret nanostrukturer designet og syntetiseret.

Introduction

Typisk for én-dimensionelle nanomaterialer, nanowires besidder både de bulk-relaterede egenskaber og de unikke egenskaber stammer fra quantum virkningerne af nanoskala struktur. Som en bro mellem nanoskalaen og bulk skala materialer, er de blevet bredt anvendt i forskellige områder af katalyse, sansning og nanoelektroniske enheder mv. 1 , 2 , 3.

Syntesen af nanowires har længe været en stor udfordring, som det normalt kræver bryde den iboende symmetri i krystallerne. Traditionelt har er en skabelon ansat til at regulere aflejring af materialer. For eksempel, har skabelon-electrodeposition været brugt til dannelsen af forskellige typer af nanowires som Ag nanowires og cd'er nanowires4,5,6,7,8,9 ,10. En anden fælles tilgang er damp-væske-solid (VLS) vækst, som beskæftiger en smeltet katalysator til at fremkalde anisotrope væksten på underlaget på en forhøjet temperatur11. Fælles strategier for syntese af metal nanowires er polyol metoder for Ag nanowires og oleylamine-assisteret ultratynde Au nanowires12,13,14,15. Begge tilgange er materiale-specifikke, og parametrene Nanotråd er ikke umiddelbart indstillet under syntesen. Derudover kan metal nanowires også være dannet af den pres-drevet metode, hvor de forsamlede metal nanopartikler er mekanisk komprimeret og smeltet ind i nanowires16,17,18.

For nylig, vi rapporterede en karakteristisk metode til syntese Au nanowires19. Med hjælp af en thiolated lille molekyle ligand, kunne nanowires vokse og danne en lodret justeret array på bulk Si wafer substrat på omgivende betingelser. Det konstateredes, at ligander spiller en vigtig rolle i den symmetri-breaking vækst. Det binder sig til overfladen af substrat-adsorberet Au frø kraftigt, tvinger Au indbetale selektivt på ligand-mangelfuld grænsefladen mellem frø og substrat. Grænsefladen mellem det nye deponerede Au og substrat forbliver ligand mangelfuld, derfor, den aktive overflade findes i hele den hele vækst. Ved tuning ligand koncentration, seed type og koncentration samt flere andre parametre, kunne en serie af Au Nanotråd-baseret nanostrukturer blive syntetiseret.

I dette arbejde, vil vi give en detaljeret protokol for denne bekvemme Au nanowires syntese. Den afledte syntese er også præsenteret, herunder syntese af Au nanowires med hydrofobe overflade ejendom, Au nanowires på andre substrater, tilspidset Au nanowires ved at blande to ligander og Nanotråd-baseret Au nanostrukturer dannet af tuning væksten betingelser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Forsigtig: Tjek venligst de materielle sikkerhedsdatablade (MSDS) af kemikalier til detaljeret håndtering og opbevaring instruktion. Vær forsigtig, mens håndtering af nanomaterialer, som der kan være risiko for uidentificerede. Venligst udføre eksperimenter i et stinkskab og bære passende personlige værnemidler.

1. Sammenfatning af frø nanopartikler

Bemærk: For at undgå fejl forårsaget af for tidlig Nukleering under nanopartikel syntese, vaske glas og rør baren anvendt i syntese med aqua regia og skylles grundigt med vand.

  1. Syntese af 3-5 nm Au nanopartikler
    1. Forberede en brint tetrachloroaurate (III) (HAuCl4) løsning ved at opløse 10 mg af HAuCl4∙3H,2O i 1 mL af deionization vand (DI vand) i en 4 mL hætteglas. Der afpipetteres 0,197 mL af HAuCl4 løsning i en kolbe på 50 mL runde-bunden.
    2. Kolben til at fortynde HAuCl4 løsning tilsættes 19,7 mL Deioniseret vand.
    3. 10 mg natrium citrat i 1 mL Deioniseret vand i en anden 4 mL hætteglas til at forberede en 1% natrium citrat stamopløsning opløses. Tilføj 0.147 mL natriumcitratopløsning 1% at den fortyndede HAuCl4 løsning parat i trin 1.1.2.
    4. Der fremstilles en 0,1 M natrium ved (Kristian4) opløsning ved at opløse 2,3 mg af Kristian4 i 0,6 mL Deioniseret vand.
    5. Hurtigt injicere 0,6 mL af 0,1 M Kristian4 løsning i blandingen fra trin 1.1.3 under kraftig omrøring. Check for en øjeblikkelig farveændring af løsning fra bleggul til lyse orange.
    6. Rør blandingen til en anden 10 min. ventetid for et gradvist farveskift af løsning til rødlig orange.
    7. Bekræfte størrelsen af den opnåede Au nanopartikler med UV-Vis spektroskopi og scanning elektronmikroskopi (SEM).
  2. Syntese af 15 og 40 nm Au nanopartikler
    1. Tilsættes 100 mL med Deioniseret vand i en 250 mL runde-bunden kolbe. 10 mg af HAuCl4∙3H2O solid afvejes og opløses det i runde-bunden kolben.
    2. Tilføje en magnetisk røre bar i kolben og udstyre kolben med en kondensator. Rør og varme løsning villig i 1.2.1 til 100 ° C i et oliebad. Refluks løsning i 10 min.
    3. Vejer 40 mg natrium citrat og opløses i 4 mL Deioniseret vand til at forberede en 1% natrium citrat stamopløsning.
    4. For at syntetisere 15 nm Au nanopartikler, 3 mL tilsættes 1% natriumcitratopløsning fra trin 1.2.3 til kogt blandingen med en sprøjte.
      Bemærk: Farven på løsningen bliver grå i 1 min og derefter gradvist til rød.
      1. For at syntetisere 40 nm Au nanopartikler, skal du injicere 1,5 mL natriumcitratopløsning 1% til det kogende løsning fra trin 1.2.2 med en sprøjte. Holde løsningen kogende indtil den skifter til rød i ca 10 min.
        Bemærk: Farven på løsningen ændres fra transparent til mørk grå, derefter til sort, og endelig til lilla i ca 1 min.
    5. Fortsæt til refluks reaktion løsning for 30 min. køle ned løsningen ved stuetemperatur på omgivende betingelser.
    6. Karakterisere størrelse og ensartethed af de resulterende Au nanopartikler med UV-Vis spektroskopi og SEM.

2. Sammenfatning af Au Nanowires (længde = ~ 500 nm) på silicium (Si) Wafers og forskellige substrater

  1. Forberede frø adsorption substrat.
    1. Skær Si-wafer i 5 mm ´ 5 mm udskæringer. Ren Si wafer stykker med Deioniseret vand og ethanol sekventielt i et ultralydsbad, hver i 15 min.
    2. Behandle Si-wafer med 29,6 W af O2 plasma (drives på 220 V) til 20 min.
      Bemærk: Overfladen af wafer bliver hydrofilt.
    3. Forbered en 5 mM 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) løsning ved at opløse 11,1 mg af APTES for en blanding af DI vand (5 mL) og ethanol (5 mL) i en 20 mL hætteglas.
    4. Soak et stykke af Si plade i den APTES rengøringsopløsning taktfast 2.1.3 i en 20 mL hætteglas til 30 min.
    5. Tag Si-wafer og vaske det grundigt med ethanol og Deioniseret vand.
  2. Adsorberes frø nanopartikler på underlaget.
    1. Sættetid Si-wafer i 3-5 nm Au frø rengøringsopløsning, taktfast 1.1 for 2 h.
      1. For at vokse Au nanowires fra 15 nm Au frø, sættetid Si-wafer i de 15 nm Au nanopartikel løsning for 2 h.
      2. For at vokse Au nanowires fra 40 nm Au frø, sættetid Si-wafer i de 40 nm Au nanopartikel løsning for 2 h.
    2. Tag Si-wafer og vaske det med 50 mL Deioniseret vand at fjerne uabsorberet Au nanopartikler.
  3. Vokse substrat-bundet Au nanowires.
    1. Forberede en 1,65 mM 4-mercaptobenzoic syre (4-MBA) løsning ved at opløse 2,5 mg 4-MBA i 10 mL ethanol.
    2. Forberede en 5.10 mM HAuCl4 løsning ved at opløse 20,1 mg af HAuCl4∙3H,2O i en blanding af 5 mL ethanol og 5 mL Deioniseret vand.
    3. Forberede en 12,3 mM L-ascorbinsyre syreopløsning ved at opløse 21.7 mg L-ascorbinsyre i 10 mL af DI vand.
    4. Bland 0,5 mL af 5.10 mM HAuCl4 løsning med 0,5 mL af 1,65 mM 4-MBA løsning i en 10 mL hætteglas.
    5. Sættetid frø-adsorberet Si wafer fra trin 2.2.2 i de blandede rengøringsopløsning, taktfast 2.3.4.
    6. Tilsættes 0,5 mL 12,3 mM L-ascorbinsyre syreopløsning i wafer-gennemblødt blandet løsning. Ryste hætteglasset forsigtigt at jævnt blande løsningen.
    7. Forlade wafer og løsningen uforstyrret i 15 min. Kontroller boble-dannelse under vækstprocessen og farveskift af overfladen af Si-wafer fra skinnende grå til rødbrun.
    8. Tag Si-wafer og skyl det med ethanol og Deioniseret vand. Tør Si-wafer på omgivende betingelser og vente på overfladen af wafer at henvende sig til guld.
    9. Karakterisere morfologi af Au nanowires med SEM.
  4. For vækst af Au nanowires på et glas dias følger Al2O3, SrTiO3, LaAlO3, indium-tin oxid (ITO) og F-doped tin oxid (FTO) substrater, de samme procedurer, herunder rengøring processer.

3. Sammenfatning af Au Nanowires med forskellige ligander

  1. Syntese af Au Nanotråd skove med forskellige thiolated ligander: 2-naphthalenethiol (2-NpSH), 4-mercaptophenylacetic syre (4-MPAA) og 3-mercaptobenzoic syre (3-MBA).
    1. Behandling af Si plade efter de samme procedurer i trin 2.1-2.2.
    2. Forberede en 1,65 mM 2-NpSH løsning ved at opløse 2,6 mg 2-NpSH i 10 mL ethanol.
      1. Forberede en 1,65 mM 4-MPAA løsning ved at opløse 2,8 mg 4-MPAA i 10 mL ethanol.
      2. Forberede en 1,65 mM 3-MBA løsning ved at opløse 2,5 mg 3-MBA i 10 mL ethanol.
    3. Forberede 5.10 mM HAuCl4 løsning og 12,3 mM L-ascorbinsyre syreopløsning efter den samme procedure i trin 2.3.1-2.3.3.
    4. I en 10 mL hætteglas, bland 0,5 mL af HAuCl4 løsning med 0,5 mL 2-NpSH løsning, og ryst blandingen for at få en homogen opløsning.
      1. I en 10 mL hætteglas, bland 0,5 mL af HAuCl4 løsning med 0,5 mL af 4-MPAA løsning, og ryst blandingen for at få en homogen opløsning.
      2. I en 10 mL hætteglas, bland 0,5 mL af HAuCl4 løsning med 0,5 mL 3-MBA løsning, og ryst blandingen for at få en homogen opløsning.
    5. Tilføje 0,5 mL af 12,3 mM L-ascorbinsyre syre til den wafer-gennemblødt blandet løsning. Ryste hætteglasset forsigtigt for at få en jævnt blandet løsning.
    6. Forlade wafer og løsningen uforstyrret i 15 min. observere overfladen af Si-wafer dreje langsomt fra skinnende grå til rødbrun.
    7. Tag Si-wafer og skyl det med ethanol og DI vand, og tør Si-wafer på omgivende betingelser, indtil overfladen af wafer bliver til guld.
    8. Bekræfte Au nanowires skov struktur med SEM.
  2. Syntese af koniske Au nanowires med blandet ligander.
    1. Syntese af fortykket Au nanowires med blandet ligander 4-MBA og 3-mercaptopropanoic syre (3-MPA) (c4-MBA/c3-MPA = 3:1).
      1. Behandling af Si plade efter de samme procedurer i trin 2.1-2.2, undtagen fortyndes frø løsning 100 gange.
      2. Forberede en 3 mM 4-MBA løsning ved at opløse 4,6 mg 4-MBA i 10 mL ethanol.
      3. Forberede en 3 mM 3-MPA løsning ved at opløse 3,2 mg 3-MPA i 10 mL ethanol.
      4. Bland 0,75 mL 3 mM 4-MBA løsning med 0,25 mL af 3 mM 3-MPA (i en 10 mL hætteglas. Ryst forsigtigt for at få en homogen opløsning.
      5. Forberede 5.10 mM HAuCl4 løsning og 12,3 mM L-ascorbinsyre syreopløsning efter den samme procedure i trin 2.3.2-2.3.3.
      6. Tilsæt 0,5 mL af 5.10 mM HAuCl4 løsning til den blandede løsning taktfast 3.2.1.4 og Ryst forsigtigt for at homogenisere løsningen.
      7. Sættetid Si-wafer fra trin 3.2.1.1 i den blandede opløsning i en 10 mL hætteglas. Tilføje 0,5 mL af 12,3 mM L-ascorbinsyre syre til den blandede løsning.
      8. Efter 10 min, tag Si-wafer og skyl med ethanol og Deioniseret vand.
      9. Tørre wafer på omgivende betingelser og bekræfte strukturen af SEM.
    2. Syntetisere tilspidset Au nanowires med blandet ligand 4-MBA og 3-MPA (c4-MBA/c3-MPA = 6:4). Følg samme procedurer i trin 3.2.1 med 0,6 mL 3 mM 4-MBA løsning og 0,4 mL af 3 mM 3-MPA løsning i stedet.
    3. Syntetisere tilspidset Au nanowires med blandet ligander 4-MBA og 3-MPA (c4-MBA/c3-MPA = 1:1). Følg samme procedurer i trin 3.2.1 med 0,5 mL 3 mM 4-MBA løsning og 0,5 mL af 3 mM 3-MPA løsning i stedet.

4. Sammenfatning af Au Nanotråd-baseret komplekse nanostrukturer

  1. Syntese af segmental Au nanowires med tyk-tynd-tyk-tynd segmenter.
    1. Behandling af Si plade efter de samme procedurer i trin 2.1-2.2.
    2. Forberede en 1,65 mM 4-MBA løsning ved at opløse 2,5 mg 4-MBA i 10 mL ethanol.
    3. Forberede en 0.0830 mM 4-MBA løsning ved at fortynde 1,65 mM 4-MBA løsning 20 gange.
    4. Forbered HAuCl4 og L-ascorbinsyre syreopløsning efter de samme procedurer i trin 2.3.2-2.3.3.
    5. Forberede 1,5 mL af vækst opløsning A ved at blande 0,5 mL 1,65 mM 4-MBA opløsning, 0,5 mL af 5.10 mM HAuCl4 løsning og 0,5 mL af 12,3 mM L-ascorbinsyre syre (endelige koncentration: c4-MBA = 0.550 mM, cHAuCl4 = 1,70 mM cL - ascorbinsyre = 4,10 mM).
    6. Forberede 1,5 mL vækst løsning B ved at blande 0,5 mL af 0.0830 mM 4-MBA opløsning, 0,5 mL af 5.10 mM HAuCl4 løsning, 0,5 mL af 12,3 mM L-ascorbinsyre syre (endelige koncentration: c4-MBA = 0.0280 mM, cHAuCl4 = 1,70 mM, cL-ascorbinsyre syre = 4,10 mM).
    7. Fordyb Si-wafer i et 10 mL hætteglas indeholdende vækst løsning B for ca 1 min.
    8. Hurtigt overføre Si-wafer uden tørring til en anden 10 mL hætteglas indeholdende vækst opløsning A og overlade det til at vokse i 2 min.
    9. Gentag trin 4.1.7-4.1.8 en gang mere.
    10. Tage Si-wafer og skylles med 50 mL ethanol og 50 mL Deioniseret vand.
    11. Bekræfte strukturen i den resulterende segmenterede Au nanowires af SEM.
  2. Syntese af nanoflowers
    1. Behandling af Si plade efter de samme procedurer i trin 2.1-2.2, bortset fra med en 5 min O2 plasma behandling.
    2. Sættetid Si-wafer i et 10 mL hætteglas indeholdende en 10000 x fortyndet 3-5 nm Au frø løsning for 15 min.
    3. Vask Si-wafer fra trin 4.2.2 grundigt med Deioniseret vand til at fjerne uabsorberet Au nanopartikler.
    4. Forberede en vækst løsning indeholdende 0.550 mM 4-MBA, 1,70 mM HAuCl4og 4,10 mM L-ascorbinsyre-syre, efter de samme procedurer i trin 4.1.5.
    5. Sættetid wafer i et 10 mL hætteglas indeholdende vækst-løsning til 30 s.
    6. Fjerne wafer fra vækst løsning og efterlader et tyndt lag af løsningen (~ 13-15 μl) på wafer.
    7. Hurtigt føntørre wafer ved stuetemperatur.
    8. Bekræft nanoflower struktur af SEM.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Au nanopartikel frø, substrat-bundet Au nanowires og Au Nanotråd-baseret afledte nanostrukturer karakteriseres med SEM. figur 1 viser de repræsentative SEM billeder af 3-5 nm Au nanopartikler, 15 nm Au nanopartikler og 40 nm Au nanopartikler adsorberet på Si-wafer, bekræfter deres størrelser, adsorption og distribution. Au nanowires vokset fra de respektive frø på Si wafer substrat er også præsenteret. De repræsentative SEM billeder af de typiske Au nanowires substrater ikke wafer substrat, dvs, glas substrat osv. præsenteres i figur 2. De repræsentative SEM billeder af den fortykkede nanowires syntetiseret med forskellige ligander og blandet ligander er præsenteret i figur 3. De repræsentative SEM billeder segmental nanowires og nanoflower struktur er præsenteret i figur 4.

Figure 1
Figur 1: SEM billeder af Au nanopartikel frø før Nanotråd vækst: (a) 3-5 nm(b) 15 nm, og (c) 40 nm Au nanopartikler. AU nanowires vokset fra (d) 3-5 nm, (e) 15 nm og (f) 40 nm frø på wafer substrat. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: SEM billeder af Au nanowires dyrket på substrater end Si wafer. Nanowires vokset fra: (et) Al2O3, (b) SrTiO3, (c) LaAlO3 (d) glas dias, (e) ITO og (f) FTO substrater. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: SEM billeder af den syntetiserede med andre ligander. Ultratynde Nanotråd arrays dannet med (en) MPAA, (b) 2-Naphthalenethiol, (c) 3-MBA ligander. Koniske Au nanowires dannet med blandet ligander 4-MBA og 3-MPA: (d) c4-MBA : c3-MPA = 3:1, (e) c4-MBA : c3-MPA = 6:4 og (f) c4-MBA : c3-MPA = 1:1. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: SEM billeder af komplekse Au NW-baserede nanostrukturer. (en) Segmental Nanotråd med tyk-tynd-tyk-tynd segmenter; (b) nanoflowers ved tørring vækst løsning på underlaget. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Mekanismen af dette aktiv overflade vækst styres Nanotråd syntese er blevet drøftet grundigt i tidligere arbejde19. Derudover har virkningerne af frø størrelser og typer samt effekten af ligand typer og størrelser også været undersøgte20,21. Generelt. Nanotråd vækst er meget forskellig fra tidligere rapporteret ruter. Ingen skabelon er påkrævet, og den asymmetriske vækst er foranlediget af forskellene mellem ligand-udjævnede Au overflade og Au overflader mod underlaget. Den aktive overflade forbliver aktiv i hele den hele vækstproces, da den nye deponerede Au overflade er altid frisk og ligand-mangelfuld. Her vil vi koncentrere vores diskussion på den eksperimenterende operation ved udførelsen af denne syntese. Reaktionen foregår under omgivende tilstand; ikke desto mindre nødt et par punkter stadig til at blive fremhævet for bedre kontrol i syntetisere disse nanostrukturer.

Syntesen af Au nanowires begynder med forberedelsen af frø nanopartikler. Generelt, enhver Au nanostrukturer kan være ansat som frø til dyrkning af nanowires. Men tætheden af frø på underlaget er vigtigt for følgende Au deposition og Nanotråd vækstproces. Seed tæthed beslutter tætheden af aktive site, hvor Au vil indbetale på. Hvis koncentrationen af ligand, HAuCl4 og L-ascorbinsyre holdes konstant, mængden af Au få reduceret pr. enhed tid ville forblive den samme. Som et resultat, Au Nanotråd dyrkes på hver aktive site vil være meget hurtigere og den fremstillede nanowires ville være længere, hvis tætheden af frø falder. Et andet muligt scenario ville være udseende og udvidelse af Au Nanotråd bundter, da for meget Au deposition på én aktive site ville forårsage ekspansion og splitte den aktive overflade. Tætheden af frø på underlaget kunne styres af to midler: inkubationstiden frø og koncentrationen af frø løsning bruges til at udruge substratet. Det er værd at nævne, at koncentrationerne af hver Au nanopartikler løsning beskrevet her er ikke det samme, og forskellen kunne være i størrelsesordener. Koncentrationen af frø løsning undertiden ville derfor være nødvendigt. Som vist i repræsentative resultatet sammenligning 3-5 nm og 15 nm Au nanopartikler, Au Nanotråd vokset fra de ikke-koncentreret 40 nm Au nanopartikler er meget længere, og danner bundter. Seed tæthed er på den anden side bevidst reduceret ved udarbejdelsen af den tykke nanowires med blandet ligander. Dette er at undgå fusion af nanowires, som den laterale vækst under tykke Nanotråd væksten sker samtidig med den langsgående strækning. Tætte frø adsorption ville føre til sammensmeltningen af Au frøene til en kontinuerlig Au film ved starten, at forebygge yderligere Nanotråd vækst.

Substrat adsorption af frø er vigtig for at skabe et systematisk asymmetri på Au frø overflade. Vi bruger den Amin-indeholdt siloxan for at opnå udlæg i Au frø. Det er normalt accepteret, at Au frø er adsorberet ved den elektrostatiske interaktion mellem gruppen Amin og nanopartikel overflade22. I nogle tilfælde, hvor frø partikler er positivt ladede, kan støbt og tørre metode også være ansat. APTES er knyttet til wafer og glas chip overflade gennem Si-O bindingen efter hydrolyserer i opløsningen vand/ethanol. Teoretisk set, alle overflader, der kunne kondensere med APTES ville være i stand til at fremme væksten af Au nanowires. I dette arbejde demonstrere vi dette med flere oxid overflader. En O2 plasma behandling er nødvendigt at delvist oxidere substrat overflade og implantat -OH-gruppen der kunne kondensere med APTES. O2 plasma behandling er valgt på grund af sin rene og enkle operation procedure; ellers, piranha løsning kunne også bruges til at oprette -OH-grupper. Et andet centralt punkt for substrat forberedelse er at overflade koncentrationen af -NH2 også kan have en betydelig effekt på frø adsorption. Selv om vi ikke kunne direkte karakterisere resultatet af overfladebehandling, bør operation procedure gøres så præcist som muligt.

Vask af substratet efter hvert trin er undertiden afgørende, især efter APTES behandlingen. Den gratis APTES molekyle kan også adsorberes på Au nanopartikler overflade. Uden en grundig vask, ville frø løsning samle betydeligt under den opblødning proces. De aggregerede frø kan stadig adsorberes på underlaget og fremkalde Au Nanotråd vækst. Men da sammenlægning ville i høj grad reducere koncentrationen af frøene, tætheden af aktive steder også falder eksponentielt. Som et resultat, toppen af det endelige nanowires område ville være Au nanopartikel vandbad, og nanowires blive skånet bundter i stedet for skov.

Typiske Au Nanotråd vækst finder sted i en blandet oploesningsmiddel i vand og ethanol (v/v = 1:1). Da ligand 4-MBA ikke er opløseligt i ethanol, skal det først være opløst i ethanol opløsning, og derefter blandet med resultatet af vækst løsningen. Bortset fra spørgsmålet opløselighed spiller opløsningsmiddel forholdet sig også væsentlig rolle beslutter Nanotråd vækst. Området af den aktive overflade afgøres af ligand adsorption ratio og deposition sats på Au. Mulighed for reduktion af L-ascorbinsyre varierer i forskellige opløsningsmidler og på forskellige pH miljøer23. Ændre opløsningsmiddel forholdet ville ændre Au reduktion og deposition af straks. Stigende vand-forholdet for meget kunne resultere i hurtige Au reduktion og muligt ensartede Nukleering, der forhindrer vækst af substrat-bundet Au nanowires.

Svarende til solvent forholdet, koncentrationen af ligander også direkte påvirker Nanotråd dannelse, som det ikke blot passivates Au overflade, men også stabiliserer Au og forhindrer homogene Nukleering. En overskydende beløb af ligand ønsker høj grad bremse Au reduktion. For eksempel, ville øge ligand koncentrationen 5 gange til 2,5 mM resultere i ingen Au deposition på substrat21. Faldende ligand koncentration vil forårsage stigningen i Nanotråd diameter og undertiden homogene Nukleering, den sidstnævnte sig tilkendegivet ved ændringen af løsning fra farveløs til grålig eller rødlig. Den homogene Nukleering ville konkurrere med den heterogene Au Nanotråd vækst for Au råvare. Afhængigt af graden af homogene Nukleering kan Au Nanotråd vækst være helt eller delvist slukke ved manglen på Au fodring lager.

Afslutningsvis vil vise vi en roman metode for at forberede substrat-bundet Au nanowires på forskellige substrater. Au nanowires danne en matrix på fladt underlag overflade. Bredde, længde og tæthed er let tunet ved at ændre parametrene reaktion. Overfladekemi af nanowires kan justeres af ligander, og fortykket nanowires kunne dannes ved at blande to forskellige typer af ligander. Derudover kunne Au nanowires-afledt kompleks Au nanostrukturer dannes ved at kombinere flere forskellige vækstbetingelser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Vi anerkender taknemmeligt støtte fra National Natural Science Foundation of China (21703104), Jiangsu videnskab og teknologi har planer (SBK2017041514) Nanjing Tech University (39837131) og SICAM stipendium fra Jiangsu nationale synergiskabende Innovation Center for avancerede materialer.

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

Kemi sag 137 Metal nanotråd guld seedet vækst thiolated ligand substrat morfologi kontrol
Syntese af substrat-bundet Au Nanowires Via en aktiv overflade vækst mekanisme
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