Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Synthese van substraat-gebonden Au Nanowires Via een mechanisme van het actieve oppervlak groei

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

Wij rapporteren een oplossingsgerichte methode voor het synthetiseren van substraat-gebonden Au nanowires. Door de moleculaire liganden gebruikt tijdens de synthese tuning, kunnen de Au nanowires worden gekweekt uit verschillende ondergronden met verschillende oppervlakte-eigenschappen. Au nanowire gebaseerde nanostructuren kan ook gesynthetiseerd worden door het aanpassen van de parameters van de reactie.

Abstract

Bevorderen van synthetische mogelijkheden is belangrijk voor de ontwikkeling van nanowetenschappen en nanotechnologie. De synthese van nanowires is altijd een uitdaging, aangezien het vereist asymmetrische groei van symmetrische kristallen. Wij rapporteren hier een onderscheidend synthese van substraat-gebonden Au nanowires. Deze sjabloon-vrije synthese maakt gebruik van thiolated liganden en substraat adsorptie aan het bereiken van de continue asymmetrische afzetting van Au in oplossing bij omgevingsomstandigheden. De thiolated ligand voorkomen de afzetting van de Au op het blootgestelde oppervlak van de zaden, dus de depositie Au doet zich alleen voor op het raakvlak tussen de Au-zaden en het substraat. De kant van de nieuwe gedeponeerde Au nanowires is onmiddellijk bedekt met de thiolated ligand, maar blijft de bodem het substraat tegenover ligand-vrij en actief voor de volgende ronde van de depositie van de Au. We zijn het er verder laten zien dat deze Au nanowire groei kan worden opgewekt op verschillende ondergronden, en verschillende thiolated liganden kunnen worden gebruikt voor het regelen van de Oppervlaktechemie van de nanowires. De diameter van de nanowires kan ook worden gecontroleerd met gemengde liganden, waarin een andere "slechte" ligand op de laterale groei kon veranderen. Met het begrip van het mechanisme, kan Au nanowire gebaseerde nanostructuren worden ontworpen en gesynthetiseerd.

Introduction

Typisch voor een dimensionale nanomaterialen, nanowires bezitten zowel de bulk-gerelateerde eigenschappen en de unieke eigenschappen die afkomstig is van de quantumeffecten van de nanoschaal-structuur. Als een brug tussen de nanoschaal en de schaal stortgoederen, zijn ze algemeen toegepast in verschillende velden van katalyse, sensing en nanoelectronic-apparaten, enz. 1 , 2 , 3.

Echter, de synthese van nanowires is al lang een grote uitdaging, aangezien het vereist meestal het breken van de intrinsieke symmetrie in de kristallen. Traditioneel, wordt een sjabloon gebruikt voor het regelen van de afzetting van materialen. Bijvoorbeeld, is sjabloon-electrodeposition gebruikt voor de vorming van verschillende soorten nanowires zoals Ag nanowires en cd's nanowires4,5,6,7,8,9 ,10. Een andere gemeenschappelijke benadering is damp-vloeistof-deeltjes (VLS) groei, waarbij een gesmolten katalysator voor het opwekken van de anisotrope groei op het substraat op een hoge temperatuur11in dienst. Gemeenschappelijke strategieën voor de synthese van metalen nanowires zijn de polyol methoden voor Ag nanowires en de oleylamine-bijgewoonde uiterst dunne Au nanowires12,13,14,15. Beide benaderingen zijn materiaalspecifieke, en de nanowire parameters zijn niet gemakkelijk afgestemd tijdens de synthese. Metalen nanowires kan daarnaast ook worden gevormd door de druk-gestuurde methode, waar de geassembleerde metalen nanodeeltjes mechanisch zijn gecomprimeerd en gesmolten in nanowires16,17,18.

Onlangs meldden wij een kenmerkende methode met synthese Au nanowires19. Met het helpen van een thiolated klein molecuul ligand, kon de nanowires groeien en vormen een verticaal uitgelijnde matrix op de bulk Si wafer substraat op omgevingsomstandigheden. Bleek dat de liganden een belangrijke rol in de groei van de symmetrie-breken spelen. Het bindt aan het oppervlak van het substraat-geadsorbeerde Au zaden sterk, dwingen de Au te deponeren selectief bij de ligand-deficiënte interface tussen zaden en substraat. De interface tussen de nieuw gedeponeerde Au en het substraat blijft ligand tekort, dus het actieve vlak bestaat gedurende de gehele groei. Door de concentratie van het ligand, het type zaad en concentratie, alsmede verschillende andere parameters tuning, kan een reeks van Au nanowire gebaseerde nanostructuren worden gesynthetiseerd.

In dit werk bieden wij een gedetailleerd protocol voor deze handige Au nanowires synthese. De afgeleide synthese is ook gepresenteerd, waaronder de synthese van Au nanowires met hydrophobic oppervlakte eigendom, Au nanowires op andere substraten, taps toelopende Au nanowires door het mengen van twee liganden en de nanowire gebaseerde Au nanostructuren gevormd door het afstemmen van de groei voorwaarden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Let op: Controleer de veiligheidsinformatiebladen (MSDS) van de chemicaliën voor gedetailleerde instructies voor hantering en opslag. Wees voorzichtig tijdens het verwerken van de nanomaterialen, omdat er mogelijk niet-geïdentificeerde risico's. Gelieve uit te voeren van de experimenten in een zuurkast en passende persoonlijke beschermingsmiddelen dragen.

1. synthese van zaad nanodeeltjes

Opmerking: Om te voorkomen dat defecten veroorzaakt door de voortijdige nucleatie tijdens de synthese van nanoparticle, was de bar van het glaswerk en roer gebruikt in de synthese met koningswater en grondig met water afspoelen.

  1. Synthese van 3-5 nm Au nanodeeltjes
    1. Bereid een waterstof-tetrachloroaurate (III) (HAuCl4)-oplossing door ontbinding van 10 mg voor HAuCl4∙3H2O in 1 mL van deionization water (DI water) in een flesje van 4 mL. Pipetteer 0.197 mL van de oplossing van de4 HAuCl in een rondbodemkolf van 50 mL.
    2. 19.7 mL DI water Voeg aan de maatkolf om te verdunnen van de oplossing van de4 HAuCl.
    3. Los 10 mg Natriumcitraat in 1 mL DI water in een ander 4 mL flesje te bereiden van een stamoplossing van de Natriumcitraat 1%. 0.147 mL van de 1% Natriumcitraat oplossing aan de verdunde HAuCl4 oplossing bereid in stap 1.1.2 toevoegen.
    4. Bereid een 0,1 M natrium natriumboorhydride (NaBH4) oplossing door ontbinding 2.3 mg voor NaBH4 in 0,6 mL DI water.
    5. Snel injecteren van 0,1 M NaBH4 0,6 mL in het mengsel uit stap 1.1.3 onder krachtig roeren. Controleer voor een onmiddellijke kleurverandering van de oplossing van lichtgeel tot fel oranje.
    6. Roer het mengsel voor een ander 10 min. wachten voor een geleidelijke kleurverandering van de oplossing tot roodachtig oranje.
    7. Bevestigen de grootte van de verkregen Au nanodeeltjes met UV-Vis-spectroscopie en scanning elektronen microscopie (SEM).
  2. Synthese van 15 tot 40 nm Au nanodeeltjes
    1. Voeg 100 mL DI water in een rondbodemkolf van 250 mL. Weeg 10 mg HAuCl4∙3H2O solide en los het op in de rondbodemkolf.
    2. Voeg een magnetische roer-bar in de kolf en de kolf uit te rusten met een condensator. Roer en verwarm de oplossing bereid in 1.2.1 tot 100 ° C in een oliebad. De oplossing voor 10 min terugvloeiing.
    3. Weeg 40 mg Natriumcitraat en los het dan op in 4 mL DI water voor te bereiden van een stamoplossing van de Natriumcitraat 1%.
    4. Te synthetiseren 15 nm Au nanodeeltjes, voeg 3 mL van de 1% Natriumcitraat oplossing uit stap 1.2.3 aan het gekookt mengsel met een injectiespuit.
      Opmerking: De kleur van de oplossing wordt grijze in 1 min en vervolgens geleidelijk tot rood.
      1. Om te synthetiseren 40 nm Au nanodeeltjes, injecteren 1,5 mL van de 1% Natriumcitraat oplossing aan de kokende oplossing uit stap 1.2.2 met een spuit. Bewaar deze oplossing totdat deze in rood weergegeven in ongeveer 10 minuten verandert koken.
        Opmerking: De kleur van de oplossing verandert van transparant naar donkergrijs, vervolgens naar zwart, en tenslotte tot paars in ongeveer 1 minuut.
    5. Blijven van de Terugvloeiing van de reactie-oplossing voor 30 min. koel neer de oplossing op kamertemperatuur op omgevingsomstandigheden.
    6. Kenmerkend zijn de grootte en de eenvormigheid van de resulterende Au nanodeeltjes met UV-Vis-spectroscopie en SEM.

2. synthese van Au Nanowires (lengte = ~ 500 nm) (wafers) van silicium (Si) en verschillende ondergronden

  1. De ondergrond voorbereiden zaad adsorptie.
    1. Snijd de Si wafer in 5 mm ´ 5 mm stukken. Reinig de Si wafer stukken met DI water en ethanol opeenvolgend in het ultrasoonbad, elk voor 15 min.
    2. De Si-wafer behandelen met 29.6 W van O2 plasma (geopereerd op 220 V) voor 20 min.
      Opmerking: Het oppervlak van het zegel wordt hydrofiele.
    3. Bereid een 5 mM 3-aminopropyltriethoxysilaan (APTES) oplossing door ontbinding 11.1 mg APTES aan een mengsel van DI water (5 mL) en ethanol (5 mL) in een flesje van 20 mL.
    4. Geniet van een stukje Si wafer in de oplossing van de APTES bereid in stap 2.1.3 in een flesje van 20 mL voor 30 min.
    5. Neem de Si wafer en grondig wassen met ethanol en DI-water.
  2. Adsorb zaad nanodeeltjes op de ondergrond.
    1. Geniet van het Si-zegel in de 3-5 nm Au zaden oplossing bereid in stap 1.1 voor 2 h.
      1. Om te groeien Au nanowires uit 15 nm Au zaden, geniet u de Si wafer in de 15 nm Au nanoparticle oplossing voor 2 h.
      2. Om te groeien Au nanowires van 40 nm Au zaden, geniet u de Si wafer in de 40 nm Au nanoparticle oplossing voor 2 h.
    2. Neem de Si wafer en wassen met 50 mL DI water verwijderen unabsorbed Au nanodeeltjes.
  3. Het substraat gebonden Au nanodraden te groeien.
    1. Bereid een 1.65 mM 4-mercaptobenzoic zuur (4-MBA) oplossing door ontbinding van 2,5 mg 4-MBA in 10 mL ethanol.
    2. Bereid een 5.10 mM HAuCl4 oplossing door ontbinding van 20,1 mg HAuCl4∙3H,2O in een mengsel van 5 mL ethanol en 5 mL van DI water.
    3. Bereiden een zuuroplossing 12.3 mM L-ascorbinezuur door ontbinding van 21,7 mg L-ascorbinezuur in DI 10 mL water.
    4. Meng 0,5 mL 5.10 mM HAuCl4 oplossing met 0,5 mL van 1.65 mM 4-MBA oplossing in een flesje van 10 mL.
    5. Geniet van het zaad-geadsorbeerde Si zegel uit stap 2.2.2 in de gemengde oplossing bereid in stap 2.3.4.
    6. Voeg 0,5 mL 12.3 mM L-ascorbinezuur zure oplossing in de wafer doordrenkte gemengde oplossing. Schud de flacon zacht om gelijkmatig Meng de oplossing.
    7. Laat het zegel en de oplossing voor 15 min. ongestoord Controleer de luchtbel vorming tijdens het groeiproces, en de kleur te veranderen van het oppervlak van de Si-wafer van glanzend grijs tot roodachtig bruin.
    8. Neem de Si wafer en spoel het na met ethanol en DI-water. Droog de Si wafer op omgevingsomstandigheden en wachten op het oppervlak van het zegel te wenden tot goud.
    9. Kenmerkend zijn de morfologie van de Au nanowires met de SEM.
  4. Volg dezelfde procedures, met inbegrip van de schoonmaak processen voor groei van Au nanowires op een glasplaatje, Al2O3, SrTiO3, LaAlO3, indium tin oxide (ITO) en F-doped tin oxide (FTT) substraten.

3. synthese van Au Nanowires met verschillende liganden

  1. Synthese van Au nanowire bossen met verschillende thiolated liganden: 2-naphthalenethiol (2-NpSH), 4-mercaptophenylacetic zuur (4-MPAA) en 3-mercaptobenzoic zuur (3-MBA).
    1. Behandel de Si wafer na dezelfde procedures in stappen 2.1-2.2.
    2. Bereid een 1.65 mM 2-NpSH oplossing door ontbinding 2.6 mg 2-NpSH in 10 mL ethanol.
      1. Bereid een 1.65 mM 4-MPAA oplossing door ontbinding van 2,8 mg 4-MPAA in 10 mL ethanol.
      2. Bereid een 1.65 mM 3-MBA-oplossing door het oplossen van 2,5 mg 3-MBA in 10 mL ethanol.
    3. De 5.10 mM HAuCl4 oplossing en 12.3 mM L-ascorbinezuur zuuroplossing volgens dezelfde procedure in stappen 2.3.1-2.3.3 voorbereiden.
    4. In een flesje van 10 mL, meng 0,5 mL van de oplossing van de4 HAuCl met 0,5 mL 2-NpSH oplossing en schud het mengsel om een homogene oplossing.
      1. In een flesje van 10 mL, meng 0,5 mL van de oplossing van de4 HAuCl met 0,5 mL 4-MPAA oplossing en schud het mengsel om een homogene oplossing.
      2. In een flesje van 10 mL, meng 0,5 mL van de oplossing van de4 HAuCl met 0,5 mL 3-MBA oplossing en schud het mengsel om een homogene oplossing.
    5. 12.3 mM L-ascorbinezuur zure oplossing 0,5 mL toevoegen aan de wafer doordrenkte gemengde oplossing. Schud de flacon zacht om een gelijkmatig gemengd oplossing.
    6. Laat het zegel en de oplossing ongestoord voor 15 min. Let op het oppervlak van de Si-wafer draaien langzaam van glanzend grijs tot roodachtig bruin.
    7. Nemen de Si wafer met ethanol en DI-water het spoelen en drogen van de Si-wafer op omgevingsomstandigheden totdat het oppervlak van de wafer in goud verandert.
    8. Bevestig dat de Au nanowires bos structuur met SEM.
  2. Synthese van taps toelopende Au nanowires met gemengde liganden.
    1. Synthese van verdikte Au nanowires met gemengde liganden van 4-MBA en 3-mercaptopropanoic zuur (3-MPA) (c4-MBA/c3-MPA = 3:1).
      1. Het zegel van de Si na dezelfde procedures in stappen 2.1-2.2, behalve Verdun de zaad-Oplossing 100 keer behandelen.
      2. Bereid een 3 mM 4-MBA-oplossing door het oplossen van 4,6 mg 4-MBA in 10 mL ethanol.
      3. Bereid een 3 mM 3-MPA-oplossing door het oplossen van 3,2 mg 3-MPA in 10 mL ethanol.
      4. Meng 0,75 mL 3 mM 4-MBA oplossing met 0,25 mL 3 mM 3-MPA-oplossing (in een flesje van 10 mL. Schud voorzichtig om een homogene oplossing.
      5. De 5.10 mM HAuCl4 oplossing en 12.3 mM L-ascorbinezuur zuuroplossing volgens dezelfde procedure in stappen 2.3.2-2.3.3 voorbereiden.
      6. Voeg 0,5 mL 5.10 mM HAuCl4 oplossing aan de gemengde oplossing in stap 3.2.1.4 en schud zachtjes om het homogeniseren van de oplossing.
      7. Geniet van het Si-zegel uit stap 3.2.1.1 in de gemengde oplossing in een flesje van 10 mL. Voeg 0,5 mL 12.3 mM L-ascorbinezuur zure oplossing aan de gemengde oplossing.
      8. Na 10 min, neem het Si-zegel uit en spoel met ethanol en DI-water.
      9. Droog het zegel op de omgevingsomstandigheden en bevestigen de structuur door SEM.
    2. Synthetiseren van taps toelopende Au nanowires met gemengde ligand van 4-MBA en 3-MPA (c4-MBA/c3-MPA = 6:4). Volg dezelfde procedures in stap 3.2.1 met 0,6 mL 3 mM 4-MBA oplossing en 0.4 mL 3 mM 3-MPA oplossing in plaats daarvan.
    3. Synthetiseren van taps toelopende Au nanowires met gemengde liganden van 4-MBA en 3-MPA (c4-MBA/c3-MPA = 1:1). Volg dezelfde procedures in stap 3.2.1 met 0,5 mL 3 mM 4-MBA oplossing en 0,5 mL van 3 mM 3-MPA oplossing in plaats daarvan.

4. synthese van complexe nanostructuren Au Nanowire gebaseerde

  1. Synthese van gesegmenteerde Au nanowires met dik-dun-dik-dun segmenten.
    1. Behandel de Si wafer na dezelfde procedures in stappen 2.1-2.2.
    2. Bereid een 1.65 mM 4-MBA-oplossing door het oplossen van 2,5 mg 4-MBA in 10 mL ethanol.
    3. Bereid een 0.0830 mM 4-MBA oplossing door verdunning van de 1.65 mM 4-MBA oplossing 20 keer.
    4. De HAuCl4 en L-ascorbinezuuroplossing na dezelfde procedures in stappen 2.3.2-2.3.3 voorbereiden.
    5. Bereid 1,5 mL van oplossing A van de groei door het mengen van 1.65 mM 4-MBA oplossing 0,5 mL, 0,5 mL 5.10 mM HAuCl4 oplossing en 0,5 mL zure oplossing 12.3 mM L-ascorbinezuur (de uiteindelijke concentratie: c4-MBA = 0.550 mM, cHAuCl4 = 1,70 mM cL - ascorbinezuur = 4,10 mM).
    6. Bereid van 1,5 mL van oplossing B van de groei door het mengen van 0.0830 mM 4-MBA, 0,5 mL 5.10 mM HAuCl4 oplossing, 0,5 mL 12.3 mM L-ascorbinezuur zure oplossing 0,5 mL (de uiteindelijke concentratie: c4-MBA = 0.0280 mM, cHAuCl4 = 1,70 mM, cL-ascorbinezuur zuur = 4,10 mM).
    7. De Si-wafer in een flesje van 10 mL met groei oplossing B voor ongeveer 1 min. onderdompelen.
    8. Snel overbrengen van de Si-wafer zonder drogen aan een ander 10 mL flacon met groei oplossing A en laat het groeien gedurende 2 minuten.
    9. Herhaal stappen 4.1.7-4.1.8 nog een keer.
    10. Neem de Si wafer en spoelen met 50 mL ethanol en 50 mL DI water.
    11. Bevestigen van de structuur van de resulterende gesegmenteerde Au nanowires door SEM.
  2. Synthese van de nanoflowers
    1. Behandel de Si wafer na dezelfde procedures in stappen 2.1-2.2, behalve met een 5 min O2 plasma behandeling.
    2. Geniet van de Si-wafer in een flesje van 10 mL met een 10000 x verdunde 3-5 nm Au zaden oplossing gedurende 15 minuten.
    3. Wassen van de Si-wafer uit stap 4.2.2 grondig met DI water te verwijderen unabsorbed Au nanodeeltjes.
    4. Bereid een oplossing van de groei met 0.550 mM 4-MBA, 1.70 mM HAuCl4en 4,10 mM L--ascorbinezuur, volgens de zelfde procedures in stap 4.1.5.
    5. Geniet van de wafer in een flesje van 10 mL met de oplossing van de groei voor 30 s.
    6. Verwijder het zegel van de groei-oplossing en laat een dunne laag van de oplossing (~ 13-15 μl) op de wafer.
    7. De wafer bij kamertemperatuur snel en föhn.
    8. Bevestigen van de structuur van de nanoflower door SEM.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De Au nanoparticle zaden, substraat-bound Au nanowires en Au nanowire gebaseerde afgeleide nanostructuren worden gekenmerkt met SEM. Figuur 1 toont de representatieve SEM beelden van de 3-5 nm Au nanodeeltjes, 15 nm Au nanodeeltjes en 40 nm Au nanodeeltjes geadsorbeerde op de Si wafer, bevestiging van hun grootte, adsorptie en distributie. De Au nanowires gegroeid uit de respectieve zaden op het Si wafer substraat worden ook gepresenteerd. De representatieve SEM beelden van de typische Au nanowires substraten dan de wafer substraat, dat wil zeggen, glas substraat, enz. in Figuur 2zijn gepresenteerd. De representatieve SEM beelden van de verdikte nanowires gesynthetiseerd met verschillende liganden en gemengde liganden worden gepresenteerd in Figuur 3. De representatieve SEM-beelden van de gesegmenteerde nanowires en nanoflower structuur worden weergegeven in Figuur 4.

Figure 1
Figuur 1: SEM beelden van de Au nanoparticle zaden voordat nanowire groei: (a) 3-5 nm(b) 15 nm, en (c) 40 nm Au nanodeeltjes. Au nanowires gegroeid uit (d) 3-5 nm, (e) 15 nm en (f) 40 nm zaden op wafer substraat. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2: SEM beelden van de Au nanowires geteeld op substraat dan Si wafer. Nanowires gegroeid van: (een) Al2O3(b) SrTiO3, (c) LaAlO3 (d) glas dia, (e) ITO en (f) FTT substraten. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3: SEM beelden van de gesynthetiseerde met andere liganden. Uiterst dunne nanowire arrays gevormd met (een) MPAA, (b) 2-Naphthalenethiol, (c) 3-MBA liganden. Taps toelopende Au nanowires gevormd met gemengde liganden van 4-MBA en 3-MPA: (d) c4-MBA : c3-MPA = 3:1, (e) c4-MBA : c3-MPA = 6:4 en (f) c4-MBA : c3-MPA = 1:1. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 4
Figuur 4: SEM beelden van complexe Au NW gebaseerde nanostructuren. (een) Segmental nanowire met dik-dun-dik-dun segmenten; (b) nanoflowers door het drogen van de oplossing van de groei op het substraat. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Het mechanisme van deze actieve oppervlak groei beheerst nanowire synthese is uitvoerig besproken in vorige werk19. De effecten van zaad formaten en soorten, alsmede het effect van ligand soorten en maten zijn daarnaast ook onderzochte20,21. In het algemeen. de groei van de nanowire is heel anders dan vorige gemelde routes. Geen sjabloon is vereist, en de asymmetrische groei wordt veroorzaakt door de verschillen tussen de ligand-afgetopte Au oppervlak en het oppervlak van de Au geconfronteerd met het substraat. Het actieve oppervlak blijft actief gedurende het hele groeiproces, aangezien het nieuw gedeponeerde Au oppervlak altijd vers en ligand-deficiënte is. We zouden onze discussie hier concentreren op de experimentele bewerking bij het uitvoeren van deze synthese. De reactie vindt plaats onder de voorwaarde; Toch moeten een paar punten nog worden benadrukt voor een betere controle in de synthese van deze nanostructuren.

De synthese van de Au nanowires begint met de voorbereiding van zaad nanodeeltjes. In het algemeen kunnen elke Au nanostructuren worden toegepast als het zaad voor de teelt van nanowires. De dichtheid van de zaden op de drager vervagen is echter belangrijk voor de volgende Au afzetting en nanowire groeiproces. De dichtheid van het zaad beslist de dichtheid van actieve site, waar de Afrikaanse Unie op zou storten. Als de concentraties van de ligand, HAuCl4 en L-ascorbinezuur, worden constant gehouden, Au krijgen minder per eenheid tijd gelijk zou blijven. Dientengevolge, de Au nanowire geteeld op elke actieve site zou veel sneller en de verkregen nanowires zou langer als de dichtheid van het zaad afneemt. Een ander mogelijk scenario zou het uiterlijk en de uitbreiding van de Au nanowire bundels, aangezien teveel Au-afzetting op een actieve site zou expansie veroorzaken en splitsen van het actieve vlak. De dichtheid van het zaad op het substraat kan op twee manieren worden gecontroleerd: de incubatietijd van het zaad en de concentratie van de oplossing van de zaad gewend het substraat broeden. Het is vermeldenswaard dat de concentraties van de hier beschreven oplossing van elk Au-nanodeeltjes niet hetzelfde zijn, en het verschil zou in ordes van grootte. Daarom zou de concentratie van de oplossing van zaad soms noodzakelijk zijn. Zoals blijkt uit het representatief resultaat vergelijken de 3-5 nm en 15 nm Au nanodeeltjes, de Au nanowire geteeld uit niet-geconcentreerde 40 nm Au nanoparticles is veel langer, en vormt van bundels. Aan de andere kant, is de zaad-dichtheid bij de voorbereiding van de dikke nanowires met gemengde liganden doelbewust verminderd. Dit is om te voorkomen dat de fusie van de nanowires, zoals de laterale groei tijdens de dikke nanowire groei tegelijkertijd met de longitudinale rek gebeurt. Dichte zaad adsorptie zou leiden tot fusie van de Au-zaden tot een ononderbroken Au-film in de beginstadium, voorkoming van de verdere groei van de nanowire.

De adsorptie van de substraat van het zaad is belangrijk voor het maken van een systematische asymmetrie op het oppervlak van Au zaad. We gebruiken de siloxaan amine-opgenomen om de bevestiging van de Au-zaden. Normaal gesproken wordt aanvaard dat de Au zaden zijn geadsorbeerde door de elektrostatische interactie tussen de amine-groep en de nanoparticle oppervlakte22. In sommige gevallen waar de zaad-deeltjes zijn positief geladen, kunnen de cast en de droge methode ook worden gebruikt. De APTES is gekoppeld aan de wafer en glas oppervlak van de chip door middel van de Si-O-binding na hydrolyseerd in de oplossing van water/ethanol. Theoretisch, elk oppervlak dat met het APTES kan condenseren zouden kunnen bevorderen de groei van Au nanowires. In dit werk tonen wij dit met verschillende oxide oppervlakken. Een O2 plasma behandeling is noodzakelijk om gedeeltelijk het oppervlak van het substraat oxideren en implantaat de -OH-groep die met de APTES kan condenseren. De O2 plasma behandeling is gekozen vanwege haar schone en eenvoudige operatie procedure; anders, piranha-oplossing kan ook worden gebruikt om de -OH-groepen. Een ander belangrijk punt voor de bereiding van het substraat is dat de oppervlakte concentratie van de -NH2 ook een significant effect op de adsorptie van zaad wellicht. Hoewel wij niet direct het resultaat van de oppervlaktebehandeling karakteriseren kon, moet de operatie procedure zo nauwkeurig mogelijk worden gedaan.

Het wassen van het substraat na elke stap is soms van cruciaal belang, vooral na de APTES behandeling. De gratis APTES-molecuul kan ook op het oppervlak van de nanodeeltjes Au adsorberen. Zonder een grondige wasbeurt, zou de zaad-Oplossing aggregaat aanzienlijk tijdens het inweken. De geaggregeerde zaden kunnen nog adsorberen op de drager vervagen en de Au nanowire groei veroorzaken. Echter, aangezien aggregatie sterk de concentratie van de zaden verminderen zou, de dichtheid van de actieve sites vermindert ook exponentieel. Dientengevolge, de top van de laatste nanowires gebied zou de Au nanoparticle agglomeraat, en de nanowires worden gespaard bundels in plaats van bos.

Typische Au nanowire groei plaatsvindt in een gemengde oplosmiddel van het water en ethanol (v/v = 1:1). Aangezien de ligand 4-MBA niet oplosbaar in ethanol is, het eerst moet worden opgelost in de ethanol, en vervolgens gemengd met het resultaat van de groei-oplossing. Afgezien van de kwestie van de oplosbaarheid speelt het oplosmiddel verhouding zelf ook belangrijke rol bepalen de nanowire groei. Het gebied van het actieve oppervlak wordt bepaald door de verhouding tussen de ligand adsorptie en het tempo van de depositie van Au. Het vermogen van de vermindering van de L-ascorbinezuur, varieert in verschillende oplosmiddelen en bij verschillende pH omgevingen23. Het oplosmiddel verhouding zou wijzigt, het tempo van de vermindering van de Au en de afzetting onmiddellijk. Verhoging van de water-verhouding teveel kan leiden tot snelle vermindering van de Au en mogelijk homogene nucleatie, waardoor de groei van het substraat gebonden Au nanowires.

Vergelijkbaar met de oplosmiddelen verhouding, de concentratie van de liganden ook direct invloed op de vorming van nanowire, zoals het niet alleen het oppervlak van de Au, passiveringen maar ook de Au stabiliseert en homogene nucleatie voorkomt. Een overtollige hoeveelheid ligand zou sterk vertragen de vermindering van de Au. Bijvoorbeeld, zou verhoging van de concentratie van de ligand 5 keer tot 2,5 mM resulteren in geen Au depositie op de substraat-21. De ligand concentratie afneemt zal leiden tot de stijging de nanowire diameter en soms homogene nucleatie, de laatstgenoemde aangegeven door de verandering van de oplossing van kleurloos naar grijzig of rossig. De homogene nucleatie zou concurreren met de heterogene Au nanowire groei de Au grondstof. Afhankelijk van de mate van homogene nucleatie, kan de Au nanowire groei worden geheel of gedeeltelijk afgesloten door het ontbreken van Au voeden voorraad.

Tot slot tonen wij een nieuwe methode om te bereiden substraat-gebonden Au nanowires op verschillende ondergronden. De Au nanowires vormen een array op het oppervlak van de vlakke ondergrond. De breedte, de lengte en de dichtheid zijn gemakkelijk afgestemd door het veranderen van de parameters van de reactie. De oppervlakte chemie van de nanowires kan worden aangepast door de liganden en verdikte nanowires kon worden gevormd door het mengen van twee verschillende soorten liganden. Bovendien kon Au nanowires afkomstige complexe Au nanostructuren worden gevormd door het combineren van verscheidene verschillende groei voorwaarden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

We mijn dankbaarheid uitspreken aan de financiële steun van nationale Natural Science Foundation van China (21703104), Jiangsu wetenschap en technologie (SBK2017041514) Plan Nanjing Tech University (39837131) en SICAM Fellowship van Jiangsu nationale synergetische Innovation Center voor geavanceerde materialen.

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

Chemie kwestie 137 metalen nanowire goud ontpit groei thiolated ligand substraat morfologie controle
Synthese van substraat-gebonden Au Nanowires Via een mechanisme van het actieve oppervlak groei
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