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Chemistry

Synthese von Substrat-gebundenen Au Nanodrähten über eine aktive Oberfläche Wachstumsmechanismus

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

Wir berichten über eine Lösung basierende Methode, Substrat-gebundenen Au Nanodrähte zu synthetisieren. Durch Optimieren der molekularen Liganden, die während der Synthese verwendet, kann die Au-Nanodrähte aus verschiedenen Substraten mit unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften angebaut werden. Au Nanodraht-basierte Nanostrukturen können auch durch Anpassung der Reaktionsparameter synthetisiert werden.

Abstract

Förderung der synthetischen Fähigkeiten ist wichtig für die Entwicklung der Nanowissenschaften und Nanotechnologien. Die Synthese von Nanodrähten seit jeher eine Herausforderung dar, da es asymmetrische Wachstum von symmetrischen Kristallen erfordert. Hier berichten wir über eine unverwechselbare Synthese von Substrat-gebundenen Au Nanodrähten. Diese Vorlage kostenlos Synthese beschäftigt Thiolated Liganden und Substrat Adsorption die kontinuierliche asymmetrische Ablagerung von Au in Lösung bei Umgebungsbedingungen zu erreichen. Thiolated Liganden verhindert die Au Ablagerung auf die freiliegende Oberfläche der Samen, so dass die Au-Abscheidung nur an der Schnittstelle zwischen den Au-Samen und das Substrat tritt. Die Seite der neu hinterlegten Au-Nanodrähten ist sofort mit dem Liganden Thiolated abgedeckt, während der nach unten zeigenden Substrat Liganden-frei und für die nächste Runde der Au Ablagerung aktiv bleibt. Wir zeigen weiter, dass dieses Au Nanodraht Wachstum auf verschiedenen Substraten induziert werden kann, und verschiedene Thiolated Liganden verwendet werden, können um die Oberflächenchemie die Nanodrähte zu regulieren. Der Durchmesser des die Nanodrähte kann auch mit gemischten Liganden gesteuert werden, in dem seitlichen Wachstum eine andere "schlecht" Liganden einschalten könnte. Mit dem Verständnis des Mechanismus können Au Nanodraht-basierte Nanostrukturen entwickelt und synthetisiert werden.

Introduction

Typisch für eine dreidimensionale Nanomaterialien, Nanodrähte besitzen die Bulk-bezogene Eigenschaften und die einzigartigen Eigenschaften aus der Quanten-Effekte der nanoskaligen Struktur entstanden. Als Brücke zwischen den Nanobereich und Skala Schüttgüter sind sie weit in verschiedenen Bereichen der Katalyse, Sensorik und nanoelektronischer Geräte usw.angewendet. 1 , 2 , 3.

Aber hat die Synthese von Nanodrähten schon lange eine große Herausforderung, da es in der Regel erfordert die innere Symmetrie in den Kristallen zu brechen. Traditionell wird eine Vorlage eingesetzt, um die Ablagerung von Materialien zu regulieren. Vorlage-Galvanisierung hat zum Beispiel für die Bildung der verschiedenen Arten von Nanodrähten wie Ag Nanodrähte und CdS Nanodrähte4,5,6,7,8,9 verwendet worden ,10. Eine andere Möglichkeit ist das Dampf-Flüssig-fest (VLS) Wachstum, die geschmolzenen Katalysator induzieren die anisotrope Wachstum auf dem Substrat bei erhöhter Temperatur11beschäftigt. Gemeinsame Strategien für die Synthese von Metall-Nanodrähte sind die Polyol-Methoden für die Ag-Nanodrähte und die Oleylamine-gestützte ultradünnen Au Nanodrähte12,13,14,15. Beide Ansätze sind materialspezifische und die Nanodraht-Parameter sind nicht ohne weiteres während der Synthesis abgestimmt. Darüber hinaus können metallische Nanodrähte auch durch die Druck-driven-Methode gebildet werden, wo die montierten Metall-Nanopartikeln mechanisch komprimiert und verschmolzen zu Nanodrähte16,17,18.

Vor kurzem haben wir eine besondere Methode zur Synthese Au Nanodrähte19berichtet. Mit der Unterstützung eines Thiolated niedermolekularen Liganden könnte die Nanodrähte wachsen und bilden eine vertikal ausgerichtete Palette auf den größten Si-Wafer-Substrat bei Umgebungsbedingungen. Es wurde festgestellt, dass die Liganden in der Symmetrie-Breaking Wachstum eine wichtige Rolle spielen. Es bindet an die Oberfläche des Substrats adsorbiert Au Samen, zwingt die Au, selektiv an der Liganden-defizienten Schnittstelle zwischen Samen und Substrat zu hinterlegen. Die Schnittstelle zwischen der neu hinterlegten Au und das Substrat bleibt mangelhaft Liganden, die aktive Oberfläche besteht daher während des gesamten Wachstums. Durch die Liganden-Konzentration, die Saatgut-Art und Konzentration sowie mehrere andere Parameter optimieren, könnte eine Reihe von Au Nanodraht-basierte Nanostrukturen synthetisiert werden.

In dieser Arbeit stellen wir ein detailliertes Protokoll für diese bequeme Au Nanodrähte Synthese. Die abgeleiteten Synthese ist auch vorgestellt einschließlich der Synthesis von Au-Nanodrähte mit hydrophoben Oberflächeneigenschaft, Au Nanodrähte auf anderen Substraten, konischen Au Nanodrähte durch Mischen von zwei Liganden und den Nanodraht-basierte Au Nanostrukturen durch Optimierung des Wachstums gebildet, Bedingungen.

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Protocol

Achtung: Bitte überprüfen Sie die Sicherheitsdatenblätter (SDB) von Chemikalien für die detaillierte Anleitung für Umschlag und Lagerung. Bitte seien Sie vorsichtig beim Umgang mit Nanomaterialien, da möglicherweise nicht identifizierten Risiko. Bitte führen Sie die Experimente in einer Dampfhaube und tragen Sie geeigneten persönlichen Schutzausrüstung zu.

1. Synthese von Nanopartikeln Samen

Hinweis: Um Fehler verursacht durch die vorzeitige Keimbildung bei der Nanopartikel-Synthese zu vermeiden, waschen Sie die Glaswaren und rühren Bar verwendet in der Synthese mit Königswasser und gründlich mit Wasser abspülen.

  1. Synthese von 3-5 nm Au Nanopartikeln
    1. Bereiten Sie eine Wasserstoff Tetrachloroaurate (III) (HAuCl4) Lösung durch Auflösen von 10 mg HAuCl4∙3H2O in 1 mL der Entmineralisierung Wasser (DI) in einem 4 mL-Fläschchen. Pipette 0,197 mL der HAuCl4 Lösung in einem 50 mL Rundboden Kolben.
    2. Zugeben Sie 19,7 mL VE-Wasser in den Kolben, die HAuCl4 Lösung verdünnen.
    3. Lösen Sie 10 mg Natrium-Citrat in 1 mL VE-Wasser in einem anderen 4 mL Durchstechflasche eine 1 % Natriumcitrat Stammlösung vorbereiten. Die verdünnte HAuCl4 Lösung vorbereitet im Schritt 1.1.2 Fügen Sie 0,147 mL der 1 % Natriumcitrat Lösung hinzu.
    4. Bereiten Sie eine 0,1 M Natrium Natriumborhydrid (NaBH4) Lösung durch 2,3 mg NaBH4 in 0,6 mL VE-Wasser auflösen.
    5. Spritzen Sie schnell 0,6 mL 0,1 M NaBH4 Lösung in die Mischung aus Schritt 1.1.3 unter kräftigen rühren. Suchen Sie nach einer sofortigen Farbwechsel der Lösung von hellgelb bis leuchtend Orange.
    6. Rühren Sie die Mischung für eine weitere 10 min. warten, bis eine allmähliche Farbänderung der Lösung rötlich-Orange.
    7. Bestätigen Sie die Größe der erhaltenen Au Nanopartikel mit UV-Vis-Spektroskopie und Rasterelektronenmikroskopie (SEM).
  2. Synthese von 15 bis 40 nm Au Nanopartikeln
    1. 100 mL VE-Wasser in einem 250 mL Rundboden Kolben hinzugeben. 10 mg HAuCl4∙3H2O solide wiegen und in der Küvette Rundboden auflösen.
    2. Fügen Sie eine magnetische Stir Bar in die Flasche und statten Sie den Kolben mit einem Kondensator. Rühren Sie und Erhitzen Sie die Lösung in 1.2.1 bis 100 ° C in einem Ölbad vorbereitet. Die Lösung für 10 min Reflux.
    3. Wiegen Sie 40 mg Natrium-Citrat und lösen Sie es in 4 mL VE-Wasser, eine 1 % Natriumcitrat Stammlösung vorzubereiten.
    4. Um 15 nm Au Nanopartikel synthetisieren, fügen Sie 3 mL der 1 % Natriumcitrat Lösung aus Schritt 1.2.3 die gekochte Mischung mit einer Spritze hinzu.
      Hinweis: Die Farbe der Lösung wird grau in 1 min und dann allmählich zu rot.
      1. Um 40 nm Au Nanopartikel synthetisieren, 1,5 mL der 1 % Natriumcitrat Lösung injizieren der kochenden Lösung aus Schritt 1.2.2 mit einer Spritze. Halten Sie die Lösung, Kochen, bis es rot in ca. 10 min geändert.
        Hinweis: Die Farbe der Lösung ändert sich von transparent bis dunkelgrau, dann schwarz, und schließlich bis violett in ca. 1 Minute.
    5. Weiter zum Rückfluss der Reaktionslösung für 30 min. kühlen sich die Lösung auf Raumtemperatur bei Umgebungsbedingungen.
    6. Charakterisieren Sie die Größe und Gleichmäßigkeit der daraus resultierenden Au Nanopartikel mit UV-Vis-Spektroskopie und SEM.

2. Synthese von Au-Nanodrähten (Länge = ~ 500 nm) auf Silizium (Si)-Wafer und verschiedenen Untergründen

  1. Bereiten Sie das Substrat für Saatgut Adsorption.
    1. Schneiden Sie die Si-Wafer in 5 mm ´ 5 mm Stücke. Reinigen Sie die Si-Wafer Stücke mit VE-Wasser und Ethanol nacheinander in ein Ultraschallbad, jeweils für 15 Minuten.
    2. Behandeln Sie die Si-Wafer mit 29,6 W O2 Plasma (bei 220 V betrieben) für 20 Minuten.
      Hinweis: Die Oberfläche des Wafers wird hydrophil.
    3. Bereiten Sie eine 5 mM 3-Aminopropyltriethoxysilane (APTES) Lösung durch Auflösen von 11,1 mg des APTES zu einer Mischung von VE-Wasser (5 mL) und Ethanol (5 mL) in ein 20 mL Fläschchen.
    4. Genießen Sie ein Stück der Si-Wafer in die APTES Lösung für 30 min. im Schritt 2.1.3 in ein 20 mL Fläschchen vorbereitet.
    5. Die Si-Wafer herausnehmen Sie und waschen sie gründlich mit Ethanol und DI-Wasser.
  2. Saatgut-Nanopartikeln auf das Substrat zu adsorbieren.
    1. Einweichen Sie die Si-Wafer in 3-5 nm Au Samen Lösung vorbereitet im Schritt 1.1 für 2 h.
      1. Au-Nanodrähte aus 15 nm Au Samen wachsen, Einweichen Sie die Si-Wafer in die 15 nm Au Nanopartikel Lösung für 2 h.
      2. Au-Nanodrähte aus 40 nm Au Samen wachsen, Einweichen Sie die Si-Wafer in die 40 nm Au Nanopartikel Lösung für 2 h.
    2. Die Si-Wafer herausnehmen Sie und waschen Sie es mit 50 mL VE-Wasser, absorbierte Au Nanopartikel zu entfernen.
  3. Wachsen Sie die Substrat-gebundenen Au Nanodrähte.
    1. Bereiten Sie eine 1,65 mM 4-Mercaptobenzoic Säure (4-MBA) Lösung durch 2,5 mg 4-MBA in 10 mL Ethanol auflösen.
    2. Bereiten Sie eine 5,10 mM HAuCl4 -Lösung durch Auflösen von 20,1 mg HAuCl4∙3H2O in einer Mischung von 5 mL Ethanol und 5 mL VE-Wasser.
    3. Bereiten Sie eine saure 12,3 mM L-Ascorbinsäure-Lösung durch Auflösen von 21,7 mg L-Ascorbinsäure in 10 mL DI Wasser.
    4. Mischen Sie 0,5 mL 5,10 mm HAuCl4 -Lösung mit 0,5 mL 1,65 mM 4-MBA-Lösung in einem 10 mL-Fläschchen.
    5. Einweichen des Samen adsorbiert Si Wafers aus Schritt 2.2.2 in der gemischten Lösung im Schritt 2.3.4 vorbereitet.
    6. 0,5 mL Säurelösung 12,3 mM L-Ascorbinsäure in der Wafer-getränkten gemischte Lösung hinzugeben. Schütteln Sie das Fläschchen vorsichtig, um die Lösung gleichmäßig zu mischen.
    7. Den Wafer zu verlassen und die Lösung für 15 min. ungestört prüfen die Blasenbildung bei den Wachstumsprozess und die farbliche Veränderung der Oberfläche der Si-Wafer aus glänzenden grau bis rötlich braun.
    8. Nehmen Sie die Si-Wafer und spülen Sie ihn mit Ethanol und VE-Wasser. Trocknen des Si-Wafers bei Umgebungsbedingungen und warten auf die Oberfläche des Wafers in Gold zu verwandeln.
    9. Charakterisieren Sie die Morphologie von der Au-Nanodrähten mit SEM
  4. Für das Wachstum des Au-Nanodrähte auf einen Glasobjektträger folgen Al2O3, SrTiO3, LaAlO3, Indium-Zinn-Oxid (ITO) und F-dotierte-Zinn-Oxid (FTO) Substrate, dem gleichen Ablauf, einschließlich die Reinigungsprozesse.

3. Synthese von Au-Nanodrähten mit verschiedenen Liganden

  1. Synthese von Au Nanodraht Wälder mit verschiedenen Thiolated Liganden: 2-Naphthalenethiol (2-NpSH), 4-Mercaptophenylacetic Säure (4-MPAA) und 3-Mercaptobenzoic-Säure (3-MBA).
    1. Die Si-Wafer nach dem gleichen Verfahren in Schritte 2.1-2.2 zu behandeln.
    2. Bereiten Sie eine 1,65 mM 2-NpSH-Lösung durch 2,6 mg 2-NpSH in 10 mL Ethanol auflösen.
      1. Bereiten Sie eine 1,65 mM 4-MPAA Lösung durch 2,8 mg 4-MPAA in 10 mL Ethanol auflösen.
      2. Bereiten Sie eine 1,65 mM 3-MBA Lösung durch 2,5 mg 3-MBA in 10 mL Ethanol auflösen.
    3. Bereiten Sie die 5,10 mM HAuCl4 Lösung und 12,3 mM L-Ascorbinsäure saure Lösung nach dem gleichen Verfahren in Schritten 2.3.1-2.3.3.
    4. Mischen Sie in einem 10 mL-Fläschchen 0,5 mL der HAuCl4 Lösung mit 0,5 mL 2-NpSH-Lösung, und schütteln Sie die Mischung um eine homogene Lösung zu erhalten.
      1. Mischen Sie in einem 10 mL-Fläschchen 0,5 mL der HAuCl4 Lösung mit 0,5 mL 4-MPAA-Lösung, und schütteln Sie die Mischung um eine homogene Lösung zu erhalten.
      2. Mischen Sie in einem 10 mL-Fläschchen 0,5 mL der HAuCl4 Lösung mit 0,5 mL der Lösung 3-MBA, und schütteln Sie die Mischung um eine homogene Lösung zu erhalten.
    5. 0,5 mL Säurelösung 12,3 mM L-Ascorbinsäure der Wafer-getränkten gemischten Projektmappe hinzufügen. Schütteln Sie das Fläschchen vorsichtig, um eine gleichmäßig gemischte Lösung zu erhalten.
    6. Verlassen der Wafer und die Lösung für 15 min. Beachten Sie ungestört die Oberfläche der Si-Wafer drehen langsam von glänzenden grau bis rötlich braun.
    7. Herausnehmen des Si-Wafers mit Ethanol und DI Wasser abspülen und Trocknen des Si-Wafers bei Umgebungsbedingungen, bis die Oberfläche des Wafers zu Gold macht.
    8. Überprüfen Sie, ob die Au-Nanodrähte Struktur mit SEM Wald
  2. Synthese von konischen Au-Nanodrähten mit gemischten Liganden.
    1. Synthese von verdickten Au Nanodrähten mit gemischten Liganden 4-MBA und 3-Mercaptopropanoic-Säure (3-MPA) (C4-MBA/c3 MPA = 3:1).
      1. Die Si-Wafer nach dem gleichen Verfahren in Schritte 2.1-2.2, außer die Saatgut-Lösung verdünnen Sie 100 Mal zu behandeln.
      2. Bereiten Sie eine 3 mM-4-MBA-Lösung durch 4,6 mg 4-MBA in 10 mL Ethanol auflösen.
      3. Bereiten Sie eine 3 mM-3-MPA-Lösung durch 3,2 mg 3-MPA in 10 mL Ethanol auflösen.
      4. Mix 0,75 mL 3 mM-4-MBA-Lösung mit 0,25 mL 3 mM 3-MPA-Lösung (in ein 10 mL Fläschchen. Schütteln Sie leicht, um eine homogene Lösung zu erhalten.
      5. Bereiten Sie die 5,10 mM HAuCl4 Lösung und 12,3 mM L-Ascorbinsäure saure Lösung nach dem gleichen Verfahren in Schritten 2.3.2-2.3.3.
      6. Die gemischte Lösung im Schritt 3.2.1.4 0,5 mL 5,10 mm HAuCl4 -Lösung hinzu und schütteln Sie Sie leicht um die Lösung zu homogenisieren.
      7. Genießen Sie die Si-Wafer aus Schritt 3.2.1.1 in der gemischten Lösung in ein 10 mL Fläschchen. 0,5 mL Säurelösung 12,3 mM L-Ascorbinsäure der gemischten Projektmappe hinzufügen.
      8. Nach 10 min die Si-Wafer herausnehmen und mit Ethanol und DI Wasser abspülen.
      9. Trocknen des Wafers bei Umgebungsbedingungen und bestätigen Sie die Struktur von SEM
    2. Konische Au Nanodrähte mit gemischten Liganden 4-MBA und 3 MPA zu synthetisieren (C4-MBA/c3 MPA = 6:4). Folgen Sie die gleichen Verfahren in Schritt 3.2.1 mit 0,6 mL 3 mM-4-MBA-Lösung und 0,4 mL 3 mM 3-MPA Lösung statt.
    3. Konische Au Nanodrähte mit gemischten Liganden 4-MBA und 3 MPA zu synthetisieren (C4-MBA/c3 MPA = 1:1). Folgen Sie die gleichen Verfahren in Schritt 3.2.1 mit 0,5 mL Lösung 3 mM 4-MBA und 0,5 mL 3 mM 3-MPA Lösung statt.

4. Synthese von Au Nanodraht-basierte komplexen Nanostrukturen

  1. Synthese von segmentalen Au-Nanodrähten mit dick-dünn-dick-dünn-Segmenten.
    1. Die Si-Wafer nach dem gleichen Verfahren in Schritte 2.1-2.2 zu behandeln.
    2. Bereiten Sie eine 1,65 mM 4-MBA Lösung durch 2,5 mg 4-MBA in 10 mL Ethanol auflösen.
    3. Bereiten Sie eine 0,0830 mM 4-MBA Lösung durch Verdünnung der 1,65 mM 4-MBA Lösung 20-Mal.
    4. Bereiten Sie den HAuCl4 und L-Ascorbinsäure saure Lösung nach den gleichen Verfahren in Schritten 2.3.2-2.3.3.
    5. Bereiten Sie 1,5 mL Wachstum Lösung A durch Mischen von 0,5 mL 1,65 mM 4-MBA Lösung, 0,5 mL 5,10 mM HAuCl4 -Lösung und 0,5 mL Säurelösung 12,3 mM L-Ascorbinsäure (die Endkonzentration: C4-MBA = 0,550 mM, CHAuCl4 = 1,70 mM cL - Ascorbinsäure = 4,10 mM).
    6. Bereiten Sie 1,5 mL Wachstum Lösung B durch Mischen 0,5 mL 0,0830 mM 4-MBA Lösung, 0,5 mL 5,10 mm HAuCl4 Lösung, 0,5 mL Säurelösung 12,3 mM L-Ascorbinsäure (die Endkonzentration: C4-MBA = 0,0280 mM, CHAuCl4 = 1,70 mM, CL-Ascorbinsäure Säure = 4,10 mM).
    7. Tauchen Sie die Si-Wafer in ein 10 mL Fläschchen mit Wachstum Lösung B für ca. 1 min.
    8. Schnell übertragen Sie den Si-Wafer zu, ohne Trocknung zu einem anderen 10 mL Fläschchen mit Wachstum Lösung A und 2 min. lang wachsen lassen.
    9. Wiederholen Sie die Schritte 4.1.7-4.1.8 noch einmal.
    10. Die Si-Wafer herausnehmen und mit 50 mL Ethanol und 50 mL VE-Wasser abspülen.
    11. Bestätigen Sie die Struktur des resultierenden segmentierten Au-Nanodrähte von SEM
  2. Synthese von der nanoflowers
    1. Die Si-Wafer nach dem gleichen Verfahren in Schritte 2.1-2.2, außer mit einer Plasmabehandlung 5 min O2 zu behandeln.
    2. Einweichen Sie die Si-Wafer in ein 10 mL Fläschchen mit 10000 x verdünnten 3-5 nm Au Samen Lösung für 15 Minuten.
    3. Waschen Sie die Si-Wafer aus Schritt 4.2.2 gründlich mit VE-Wasser, absorbierte Au Nanopartikel zu entfernen.
    4. Bereiten Sie eine Wachstums-Lösung mit 0,550 mM 4-MBA, 1,70 mM HAuCl4und 4,10 mM L-Ascorbinsäure, nach den gleichen Verfahren in Schritt 4.1.5.
    5. Einweichen den Wafer in ein 10 mL Fläschchen mit dem Wachstum Lösung für 30 s.
    6. Die Wafer aus der Wachstums-Projektmappe entfernen und lassen Sie eine dünne Schicht der Lösung (~ 13-15 μl) auf dem Wafer.
    7. Schnell Föhnen des Wafers bei Raumtemperatur.
    8. Bestätigen Sie die Nanoflower-Struktur von SEM

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Representative Results

Die Au Nanopartikel Samen, Substrat gebunden Au Nanodrähte und Au Nanodraht-basierte Derivative Nanostrukturen sind gekennzeichnet mit SEM Abbildung 1 zeigt die repräsentative SEM Bilder von 3-5 nm Au Nanopartikel, 15 nm Au Nanopartikel und 40 nm Au Nanopartikel auf der Si-Wafer, bestätigt ihre Größen, Adsorption und Verteilung adsorbiert. Die Au-Nanodrähte aus den jeweiligen Samen auf der Si-Wafer-Substrat angebaut werden ebenfalls vorgestellt. Die repräsentative SEM Bilder der typischen Au Nanodrähte Substrate außer der Wafer-Substrat, d.h., Glassubstrat, etc.. sind in Abbildung 2dargestellt. Die repräsentative SEM Bilder der verdickten Nanodrähte mit verschiedenen Liganden synthetisiert und gemischte Liganden sind in Abbildung 3dargestellt. Die repräsentative SEM Bilder der segmentalen Nanodrähte und Nanoflower Struktur sind in Abbildung 4dargestellt.

Figure 1
Abbildung 1: REM-Bilder der Au Nanopartikel Samen vor Nanodraht Wachstum: (a) 3-5 nm(b) 15 nm, und (c) 40 nm Au Nanopartikel. Au-Nanodrähte aus (d) 3-5 nm, (e) 15 nm und (f) 40 nm Samen auf Wafer-Substrat gewachsen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abb. 2: REM-Bilder von der Au-Nanodrähten gewachsen auf Substrat als Si-Wafer. Nanodrähte aus gewachsen: (ein) Al2O3, (b) SrTiO3, (c) LaAlO3 (d) Glas-Folie, (e) ITO und (f) FTO Substrate. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3: REM-Bilder von der synthetisierten mit anderen Liganden. Ultradünne Nanodraht-Arrays mit (einem) MPAA, (b) 2-Naphthalenethiol, (c) 3-MBA Liganden gebildet. Konische Au Nanodrähte mit gemischten Liganden 4-MBA und MPA-3 gebildet: (d) C4-MBA : C3-MPA = 3:1, (e) C4-MBA : C3-MPA = 6:4 und (f) C4-MBA : C3-MPA = 1:1. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4: REM-Bilder von komplexen Au NW-basierte Nanostrukturen. (ein) Segmental Nanodraht mit dick-dünn-dick-dünn-Segmenten; (b) Nanoflowers durch Trocknen die Wachstums-Lösung auf dem Substrat. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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Discussion

Der Mechanismus dieser aktiven Oberfläche Wachstum geregelt-Nanodraht-Synthese wurde in früheren Arbeiten19umfassend diskutiert. Darüber hinaus wurden die Auswirkungen von Saatgut Größen und Typen sowie die Wirkung der Liganden-Typen und Größen auch untersuchten20,21. In der Regel. Nanodraht-Wachstum unterscheidet sich sehr vom vorherigen ausgewiesenen Routen. Keine Vorlage ist erforderlich, und das asymmetrische Wachstum wird durch die Unterschiede zwischen den Liganden-capped Au-Oberfläche und die Au-Oberflächen mit Blick auf das Substrat induziert. Die aktive Oberfläche bleibt während der gesamten Wachstumsprozess aktiv, da die neu hinterlegte Au-Oberfläche immer frisch und Liganden-defizienten ist. Hier würden wir unsere Diskussion über den experimentellen Betrieb bei der Durchführung dieser Synthese konzentrieren. Die Reaktion findet statt unter Umgebungsbedingungen; Dennoch müssen einige Punkte für eine bessere Kontrolle Synthese diese Nanostrukturen betont werden.

Die Synthese von Au-Nanodrähte beginnt mit der Vorbereitung der Saat Nanopartikel. Im Allgemeinen können jede Au Nanostrukturen als Saatgut für den Anbau von Nanodrähten eingesetzt werden. Die Dichte der Samen auf dem Substrat ist jedoch wichtig, dass die folgenden Au Anlagerung und Nanodraht Wachstumsprozess. Die Samen-Dichte entscheidet die Dichte des aktiven Zentrums, wo die Au auf einzahlen würde. Wenn die Konzentration des Liganden, HAuCl4 und L-Ascorbinsäure konstant gehalten werden, die Au bekommen reduziert pro Einheit Zeit gleich bleiben würde. Infolgedessen die Au Nanodraht auf jeder aktiven Seite gewachsen wäre viel schneller und die erhaltenen Nanodrähte wäre länger sinkt die Dichte des Samens. Ein anderes mögliches Szenario wäre das Aussehen und die Erweiterung der Au Nanodraht Bündel, da zuviel Au Ablagerung auf einer aktiven Seite Ausbau verursachen und die aktive Fläche aufgeteilt würde. Die Dichte des Samens auf dem Substrat durch zweierlei gesteuert werden konnte: Die Inkubationszeit der Samen und die Konzentration der Samen verwendet, um das Substrat zu inkubieren. Es ist erwähnenswert, dass die Konzentrationen von jedes hier beschriebene Au-Nanopartikel-Lösung nicht dasselbe sind, und des Unterschieds könnte in Größenordnungen. Daher wäre die Konzentration der Samen Lösung manchmal notwendig. Im Vergleich von 3-5 nm und 15 nm Au Nanopartikel repräsentativen Ergebnis gezeigt, die Au-Nanodraht aus nicht konzentriert 40 nm Au Nanopartikel gewachsen ist viel länger und Bündel bildet. Auf der anderen Seite wird die Samen Dichte absichtlich reduziert, wenn die dicken Nanodrähte mit gemischten Liganden vorbereiten. Dies ist die Verschmelzung von Nanodrähten, zu vermeiden wie das seitliche Wachstum während des Wachstums der dicken Nanodraht gleichzeitig mit längs-Dehnung geschieht. Dichte Saat Adsorption würde zu Fusion der Au Samen zu einem kontinuierlichen Au-Film in der Phase der Anfang verhindert das weitere Wachstum der Nanodraht führen.

Die Substrat-Adsorption des Samens ist wichtig für die Erstellung einer systematischen Asymmetrie auf der Kernfläche Au. Wir verwenden die Amin-enthaltenen Siloxan, um die Anlage der Au Samen zu erreichen. Normalerweise gilt, dass die Au-Samen durch die elektrostatische Wechselwirkung zwischen der Amingruppe und die Nanopartikel Oberfläche22adsorbiert werden. In einigen Fällen, wo die Samen-Teilchen positiv geladen sind, könnte die Besetzung und das trockene Methode auch eingesetzt werden. Die APTES ist mit der Wafer und Glas Chip-Oberfläche durch die Si-O-Bindung verknüpft, nach Eisensalz in der Wasser/Ethanol-Lösung. Jede Oberfläche, die mit der APTES kondensieren könnte wäre theoretisch in der Lage, das Wachstum der Au-Nanodrähte zu erleichtern. In dieser Arbeit zeigen wir dies mit mehreren oxid-Oberflächen. Eine Plasmabehandlung O2 ist notwendig, teilweise oxidieren der Substratoberfläche und Implantat -OH-Gruppe, die mit der APTES kondensieren kann. Die Plasmabehandlung O2 ist durch seine einfache und saubere Vorgehensweise gewählt; Andernfalls könnte Piranha Lösung auch verwendet werden, die -OH-Gruppen zu erstellen. Ein weiterer wichtiger Punkt für die substrataufbereitung ist, dass die oberflächenkonzentration der -NH2 auch einen signifikanten Effekt auf die Samen Adsorption kann. Obwohl wir nicht direkt das Ergebnis der Oberflächenbehandlung charakterisieren könnte, sollte die Vorgehensweise so genau wie möglich durchgeführt werden.

Das Waschen des Substrates nach jedem Schritt ist manchmal entscheidend, vor allem nach der APTES Behandlung. Das kostenlose APTES Molekül könnte auch auf der Au-Nanopartikel-Oberfläche adsorbieren. Ohne eine gründliche Wäsche würde die Samen-Lösung deutlich während des tränkenden Prozesses aggregieren. Die aggregierten Samen auf dem Substrat zu adsorbieren und induzieren die Au Nanodraht Wachstum noch. Da die Aggregation die Konzentration der Samen erheblich reduzieren würde, verringert sich jedoch die Dichte der aktiven Zentren auch exponentiell. Infolgedessen, den oberen Rand des endgültigen Nanodrähte wäre die Au-Nanopartikel-Agglomerate, und die Nanodrähte werden Pakete statt Wald verschont.

Typische Au Nanodraht Wachstum findet in einem gemischten Lösungsmittel aus dem Wasser und Ethanol (V/V = 1:1). Da der Liganden 4-MBA nicht löslich in Ethanol ist, sollte es zunächst sein in der Ethanol-Lösung gelöst und dann mit dem Ergebnis der Wachstum Lösung gemischt. Abgesehen von der Löslichkeit Frage spielt das Lösungsmittel Verhältnis selbst auch bedeutende Rolle Nanodraht Wachstum zu entscheiden. Der Bereich der aktiven Oberfläche entscheidet die Liganden-Adsorption-Verhältnis und die Abscheiderate von Au. Die Verringerung der Fähigkeit von L-Ascorbinsäure variiert in verschiedenen Lösungsmitteln und bei unterschiedlichen pH-Umgebungen23. Das Lösungsmittel Verhältnis würde die Rate der Au Reduktion und Ablagerung sofort ändern. Erhöhung des Wasser-Verhältnisses zu viel könnte führen schnelle Au Reduzierung und möglich homogenen Keimbildung, die das Wachstum der Substrat-gebundenen Au Nanodrähte verhindert.

Ähnlich wie das Lösungsmittel Verhältnis wirkt sich auf die Konzentration des Liganden auch direkt die Nanodraht Bildung, da es nicht nur die Au-Oberfläche passiviert, aber auch die Au stabilisiert und homogenen Keimbildung verhindert. Ein Übermaß an Liganden würde die Au-Reduzierung stark verlangsamen. Erhöhung der Konzentration des Liganden 5mal bis 2,5 mM würde zum Beispiel keine Au Ablagerung auf dem Substrat21führen. Verringern die Liganden-Konzentration bewirkt die Erhöhung im Nanodraht Durchmesser und manchmal homogenen Keimbildung, Letzteres bedeutete durch den Wechsel der Lösung von farblos bis grau oder rötlich. Die Homogene Keimbildung würde mit dem heterogenen Au Nanodraht Wachstum für die Au-Feedstock konkurrieren. Je nach dem Grad der homogenen Keimbildung könnte das Au Nanodraht Wachstum ganz oder teilweise durch den Mangel an Au Fütterung Lager abgeschaltet werden.

Abschließend zeigen wir eine neuartige Methode zur Vorbereitung der Substrat-gebundenen Au Nanodrähte auf unterschiedlichen Substraten. Die Au-Nanodrähte bilden ein Array auf der flachen Substratoberfläche. Breite, Länge und Dichte sind leicht durch das Ändern der Reaktionsparameter abgestimmt. Die Oberflächenchemie die Nanodrähte eingestellt werden, durch den Liganden und verdickte Nanodrähte könnte durch das Mischen von zwei verschiedenen Arten von Liganden gebildet werden. Darüber hinaus könnte Au Nanodrähte abgeleiteten komplexen Au Nanostrukturen gebildet werden, durch die Kombination von mehreren verschiedenen Wachstumsbedingungen.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Wir erkennen dankbar die finanzielle Unterstützung von National Natural Science Foundation of China (21703104), Jiangsu Wissenschaft und Technologie planen (SBK2017041514) Tech Universität Nanjing (39837131) und SICAM Fellowship von Jiangsu nationalen synergetische Innovation Center for Advanced Materials.

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

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References

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Chemie Ausgabe 137 Metall Nanodraht gold entkernt Wachstum Thiolated Liganden Substrat Morphologie-Kontrolle
Synthese von Substrat-gebundenen Au Nanodrähten über eine aktive Oberfläche Wachstumsmechanismus
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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).

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