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Chemistry

एक सक्रिय सतह वृद्धि तंत्र के माध्यम से सब्सट्रेट-बाउंड Au Nanowires का संश्लेषण

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

हम सब्सट्रेट-बाउंड Au nanowires को संश्लेषित करने के लिए एक समाधान-आधारित विधि रिपोर्ट । आणविक संश्लेषण के दौरान इस्तेमाल लाइगैंडों ट्यूनिंग से, Au nanowires विभिन्न सतह के गुणों के साथ विभिंन सब्सट्रेट से उगाया जा सकता है । Au nanowire-आधारित nanostructures भी प्रतिक्रिया मापदंडों का समायोजन द्वारा संश्लेषित किया जा सकता है ।

Abstract

सिंथेटिक क्षमताओं को आगे बढ़ाने nanoscience और नैनो के विकास के लिए महत्वपूर्ण है । nanowires के संश्लेषण हमेशा एक चुनौती रही है, के रूप में यह सममित क्रिस्टल के विषम विकास की आवश्यकता है । यहाँ, हम सब्सट्रेट-बाउंड Au nanowires की एक विशिष्ट संश्लेषण की रिपोर्ट. इस टेम्पलेट मुक्त संश्लेषण परिवेश स्थितियों पर समाधान में Au के सतत विषम जमाव को प्राप्त करने के लिए thiolated लाइगैंडों और सब्सट्रेट सोखना कार्यरत हैं । thiolated ligand बीज के उजागर सतह पर au जमाव को रोका है, तो au जमाव केवल au बीज और सब्सट्रेट के बीच इंटरफेस पर होता है । नए जमा au nanowires के पक्ष तुरंत thiolated ligand के साथ कवर किया जाता है, जबकि नीचे सब्सट्रेट का सामना करना पड़ रहा है ligand मुक्त और सक्रिय Au जमाव के अगले दौर के लिए । हम आगे कि इस Au nanowire विकास विभिंन सब्सट्रेट पर प्रेरित किया जा सकता है, और विभिंन thiolated लाइगैंडों nanowires की सतह रसायन को विनियमित करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है कि प्रदर्शित करता है । nanowires का व्यास भी मिश्रित लाइगैंडों, जिसमें एक और "बुरा" ligand पार्श्व विकास पर बदल सकता है के साथ नियंत्रित किया जा सकता है । तंत्र की समझ के साथ, Au nanowire आधारित nanostructures डिजाइन और संश्लेषित किया जा सकता है ।

Introduction

एक आयामी मैटीरियल्स की खासियत, nanowires थोक से संबंधित संपत्तियों और अद्वितीय गुण नेनो संरचना के क्वांटम प्रभाव से उत्पंन दोनों अधिकारी । नेनो और थोक पैमाने पर सामग्री के बीच एक पुल के रूप में, वे व्यापक रूप से catalysis के विभिंन क्षेत्रों में लागू किया गया है, संवेदन, और nanoelectronic उपकरणों, आदि। 1 , 2 , 3.

हालांकि, nanowires के संश्लेषण लंबे समय से एक बड़ी चुनौती रही है, क्योंकि यह आमतौर पर क्रिस्टल में आंतरिक समरूपता तोड़ने की आवश्यकता है । परंपरागत रूप से, एक टेम्पलेट सामग्री के जमाव को विनियमित करने के लिए कार्यरत है । उदाहरण के लिए, टेंपलेट-electrodeposition एजी nanowires और सीडीएस nanowires4,5,6,7,8,9 जैसे nanowires के विभिंन प्रकार के गठन के लिए इस्तेमाल किया गया है ,10. एक और आम दृष्टिकोण वाष्प है-तरल-ठोस (VLS) विकास, जो एक पिघला हुआ उत्प्रेरक एक ऊंचा तापमान11पर सब्सट्रेट पर अनिसोट्रोपिक विकास के लिए प्रेरित करने के लिए काम । धातु nanowires के संश्लेषण के लिए आम रणनीतियों एजी nanowires और oleylamine ultrathin Au nanowires12,13,14,15के लिए polyol तरीके हैं । दोनों दृष्टिकोण सामग्री विशिष्ट हैं, और nanowire मापदंडों संश्लेषण के दौरान आसानी से देखते नहीं हैं. इसके अलावा, धातु nanowires भी दबाव चालित विधि द्वारा गठित किया जा सकता है, जहां इकट्ठे धातु नैनोकणों यांत्रिक संकुचित कर रहे हैं और nanowires में जुड़े हुए16,17,18.

हाल ही में, हम एक विशिष्ट विधि संश्लेषण Au nanowires19की सूचना दी । एक thiolated छोटे अणु ligand की सहायता के साथ, nanowires बढ़ सकता है और परिवेश की स्थिति में थोक Si वेफर सब्सट्रेट पर एक ऊर्ध्वाधर गठबंधन सरणी के रूप में । यह पाया गया कि लाइगैंडों समरूपता-विकास को तोड़ने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं । यह सब्सट्रेट-adsorbed au बीज की सतह के लिए बांधने दृढ़ता से, Au को बीज और सब्सट्रेट के बीच ligand की कमी अंतरफलक पर चुनिंदा जमा करने के लिए मजबूर । नए जमा Au और सब्सट्रेट के बीच इंटरफेस ligand कमी बनी हुई है, इसलिए, सक्रिय सतह पूरे विकास भर में मौजूद है । ligand एकाग्रता ट्यूनिंग द्वारा, बीज प्रकार और एकाग्रता के रूप में के रूप में अच्छी तरह से कई अन्य मापदंडों, Au nanowire-आधारित nanostructures की एक श्रृंखला संश्लेषित किया जा सकता है.

इस काम में, हम इस सुविधाजनक Au nanowires संश्लेषण के लिए एक विस्तृत प्रोटोकॉल प्रदान करेगा । व्युत्पंन संश्लेषण भी hydrophobic सतह संपत्ति के साथ au nanowires के संश्लेषण सहित प्रस्तुत किया है, au nanowires अंय सब्सट्रेट पर, पतला au nanowires दो लाइगैंडों और nanowire-आधारित au nanostructures के द्वारा गठित वृद्धि ट्यूनिंग द्वारा मिश्रण शर्तों.

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Protocol

चेतावनी: विस्तृत हैंडलिंग और भंडारण अनुदेश के लिए रसायनों की सामग्री सुरक्षा डेटा शीट (MSDS) की जांच करें । कृपया मैटीरियल्स हैंडलिंग करते समय सावधानी बरतें, क्योंकि हो सकता है कि अज्ञात जोखिम हो । कृपया एक धुएं डाकू में प्रयोगों प्रदर्शन और उचित व्यक्तिगत सुरक्षात्मक उपकरण पहनते हैं ।

1. बीज नैनोकणों का संश्लेषण

नोट: nanoparticle संश्लेषण के दौरान समय से पहले nucleation के कारण विफलता से बचने के लिए, कांच के बने हुए और एक्वा regia के साथ संश्लेषण में इस्तेमाल बार हलचल और पानी के साथ अच्छी तरह से कुल्ला ।

  1. 3-5 एनएम Au नैनोकणों का संश्लेषण
    1. एक हाइड्रोजन tetrachloroaurate (III) (HAuCl4) को भंग करके समाधान तैयार करें 10 HAuCl के मिलीग्राम4∙ 3H2O में 1 मिलीलीटर में एक 4 मिलीलीटर की शीशी में पानी (DI water) । एक ५० मिलीलीटर गोल नीचे कुप्पी में HAuCl4 समाधान के पिपेट ०.१९७ मिलीलीटर ।
    2. HAuCl4 समाधान पतला करने के लिए कुप्पी के लिए DI पानी की १९.७ मिलीलीटर जोड़ें ।
    3. भंग 10 एक और 4 मिलीलीटर शीशी में DI पानी की 1 मिलीलीटर में सोडियम साइट्रेट के मिलीग्राम एक 1% सोडियम साइट्रेट स्टॉक समाधान तैयार करने के लिए । पतला HAuCl4 के लिए 1% सोडियम साइट्रेट समाधान के ०.१४७ मिलीलीटर जोड़ें 1.1.2 चरण में तैयार समाधान ।
    4. एक ०.१ एम सोडियम borohydride (नभ4) भंग द्वारा समाधान २.३ मिलीग्राम नभ4 के ०.६ मिलीलीटर में DI पानी की तैयारी करें ।
    5. जल्दी जोरदार सरगर्मी के तहत कदम 1.1.3 से मिश्रण में ०.१ मीटर नभ4 समाधान की ०.६ मिलीलीटर इंजेक्षन । हल्के पीले से चमकीले नारंगी समाधान का तत्काल रंग बदलने के लिए जांच करें ।
    6. एक और 10 मिनट के लिए मिश्रण हिलाओ । लाल नारंगी के समाधान के एक क्रमिक रंग परिवर्तन के लिए रुको ।
    7. यूवी विज़ स्पेक्ट्रोस्कोपी और स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) के साथ प्राप्त Au नैनोकणों के आकार की पुष्टि करें ।
  2. 15 और ४० एनएम Au नैनोकणों का संश्लेषण
    1. एक २५० मिलीलीटर राउंड-बॉटम कुप्पी में १०० मिलीलीटर का डि स् वाटर जोड़ें । वजन 10 HAuCl के मिलीग्राम4∙ 3H2हे ठोस और यह गोल नीचे कुप्पी में भंग ।
    2. कुप्पी में एक चुंबकीय हलचल बार जोड़ें और एक संघनित्र के साथ कुप्पी लैस । हलचल और एक तेल स्नान में १०० डिग्री सेल्सियस के लिए 1.2.1 में तैयार समाधान गर्मी । 10 मिनट के लिए समाधान भाटा ।
    3. वजन ४० सोडियम साइट्रेट के मिलीग्राम और यह DI पानी की 4 मिलीलीटर में भंग एक 1% सोडियम साइट्रेट शेयर समाधान तैयार करने के लिए ।
    4. 15 एनएम Au नैनोकणों संश्लेषित करने के लिए, एक सिरिंज के साथ उबला हुआ मिश्रण करने के लिए कदम 1.2.3 से 1% सोडियम साइट्रेट समाधान के 3 मिलीलीटर जोड़ें ।
      ध्यान दें: समाधान का रंग 1 मिनट में धूसर हो जाता है और फिर धीरे-से लाल हो जाता है ।
      1. ४० एनएम Au नैनोकणों संश्लेषित करने के लिए, एक सिरिंज के साथ कदम 1.2.2 से उबलते समाधान के लिए 1% सोडियम साइट्रेट समाधान के १.५ मिलीलीटर सुई । समाधान उबलते जब तक यह के बारे में 10 मिनट में लाल रंग में परिवर्तन रखें ।
        नोट: समाधान का रंग पारदर्शी से डार्क ग्रे करने के लिए बदलता है, फिर काला करने के लिए, और अंत में लगभग 1 मिनट में बैंगनी करने के लिए ।
    5. 30 मिनट के लिए प्रतिक्रिया समाधान भाटा जारी रखें नीचे परिवेश की स्थिति में कमरे के तापमान के लिए समाधान शांत ।
    6. आकार और यूवी विज़ स्पेक्ट्रोस्कोपी और SEM के साथ जिसके परिणामस्वरूप Au नैनोकणों की एकरूपता विशेषताएं ।

2. (लंबाई = ~ ५०० एनएम) सिलिकॉन (Si) वेफर्स और विभिंन सब्सट्रेट पर Au Nanowires का संश्लेषण

  1. बीज सोखना के लिए सब्सट्रेट तैयार करें ।
    1. 5 मिमी ´ 5 मिमी टुकड़ों में एसआई वेफर कट । DI पानी और इथेनॉल के साथ एक अल्ट्रासोनिक स्नान में क्रमिक रूप से एसआई वेफर टुकड़े साफ, 15 मिनट के लिए प्रत्येक ।
    2. O2 प्लाज्मा के २९.६ डब्ल्यू के साथ एसआई वेफर इलाज (२२० वी पर संचालित) 20 मिनट के लिए ।
      नोट: वेफर की सतह हाइड्रोफिलिक हो जाता है ।
    3. एक 20 मिलीलीटर की शीशी में DI पानी (5 मिलीलीटर) और इथेनॉल (5 मिलीलीटर) का एक मिश्रण करने के लिए APTES के ११.१ मिलीग्राम भंग करके एक 5 मिमी 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) समाधान तैयार करें ।
    4. 30 मिनट के लिए एक 20 मिलीलीटर की शीशी में चरण 2.1.3 में तैयार APTES समाधान में एसआई वेफर के एक टुकड़े सोख ।
    5. एसआई वेफर बाहर ले लो और इथेनॉल और DI पानी के साथ अच्छी तरह से धो लें ।
  2. Adsorb बीज सब्सट्रेट पर नैनोकणों ।
    1. 2 एच के लिए चरण १.१ में तैयार 3-5 एनएम Au बीज समाधान में Si वेफर सोख ।
      1. 15 एनएम au बीज से au nanowires बढ़ने के लिए, 15 एनएम au nanoparticle समाधान के लिए 2 एच में Si वेफर सोख ।
      2. ४० एनएम au बीज से au nanowires बढ़ने के लिए, 2 घंटे के लिए ४० एनएम au nanoparticle समाधान में Si वेफर सोख ।
    2. Si वेफर बाहर ले लो और यह DI पानी की ५० मिलीलीटर के साथ धो करने के लिए लीन Au नैनोकणों को दूर ।
  3. बढ़ती सब्सट्रेट-बाध्य Au nanowires ।
    1. १.६५ mM 4-mercaptobenzoic एसिड (4-एमबीए) समाधान को भंग करके तैयार करें २.५ मिलीग्राम 4-इथेनॉल के 10 मिलीलीटर में एमबीए ।
    2. भंग करके एक ५.१० mM HAuCl4 समाधान तैयार करें २०.१ मिलीग्राम HAuCl4∙ 3H2हे के मिश्रण में इथेनॉल के 5 मिलीलीटर और DI पानी की 5 मिलीलीटर ।
    3. डि पानी की 10 मिलीलीटर में l-ascorbic एसिड की २१.७ मिलीग्राम को भंग करके एक १२.३ मिमी एल-ascorbic एसिड समाधान तैयार करें ।
    4. एक 10 मिलीलीटर की शीशी में १.६५ मिमी 4-एमबीए समाधान के ०.५ मिलीलीटर के साथ ५.१० मिमी HAuCl4 समाधान की ०.५ मिलीलीटर मिक्स ।
    5. बीज सोख-चरण 2.3.4 में तैयार मिश्रित समाधान में कदम -8 से adsorbed Si वेफर ।
    6. ०.५ मिलीलीटर की १२.३ मिमी एल-ascorbic एसिड समाधान में जोड़ें वेफर-लथपथ मिश्रित समाधान । शीशी धीरे से मिलाने के लिए समान रूप से समाधान मिश्रण ।
    7. छोड़ वेफर और समाधान 15 मिनट के लिए परेशान । वृद्धि की प्रक्रिया के दौरान बुलबुला गठन की जाँच करें, और चमकदार ग्रे से लाल भूरे रंग के एसआई वेफर की सतह के परिवर्तन का कलर.
    8. बाहर Si वेफर ले और इथेनॉल और DI पानी के साथ कुल्ला । परिवेश की स्थिति में एसआई वेफर सूखी और वेफर की सतह के लिए प्रतीक्षा करने के लिए सोने की बारी है ।
    9. SEM के साथ Au nanowires की आकृति विज्ञान की विशेषता ।
  4. एक गिलास स्लाइड पर Au nanowires के विकास के लिए, अल2ओ3, SrTiO3, LaAlO3, इंडियम टिन ऑक्साइड (इतो) और एफ मैगनीज टिन ऑक्साइड (FTO) सब्सट्रेट, सफाई प्रक्रियाओं सहित एक ही प्रक्रिया का पालन करें ।

3. विभिन्न लाइगैंडों के साथ Au Nanowires का संश्लेषण

  1. विभिन्न thiolated लाइगैंडों के साथ Au nanowire वनों का संश्लेषण: 2-naphthalenethiol (2-NpSH), 4-mercaptophenylacetic एसिड (4-MPAA) और 3-mercaptobenzoic एसिड (3-एमबीए) ।
    1. 2.1-2.2 कदम में एक ही प्रक्रिया के बाद एसआई वेफर समझो ।
    2. 2-NpSH के २.६ मिलीग्राम इथेनॉल के 10 मिलीलीटर में भंग करके एक १.६५ mM 2-NpSH समाधान तैयार करें ।
      1. १.६५ mM 4-MPAA समाधान को भंग करके तैयार करें 4-MPAA के 10 मिलीलीटर में इथेनॉल के २.८ मिलीग्राम ।
      2. 3 के २.५ मिलीग्राम-इथेनॉल के 10 मिलीलीटर में एमबीए भंग करके एक १.६५ mM 3-एमबीए समाधान तैयार करें ।
    3. ५.१० mm HAuCl4 समाधान और १२.३ mm L-ascorbic एसिड समाधान 2.3.1-2.3.3 चरणों में एक ही प्रक्रिया के बाद तैयार करें ।
    4. एक 10 मिलीलीटर की शीशी में, 2 के ०.५ मिलीलीटर के साथ HAuCl4 समाधान के ०.५ मिलीलीटर मिश्रण-NpSH समाधान, और मिश्रण मिलाने के लिए एक सजातीय समाधान मिलता है ।
      1. एक 10 मिलीलीटर की शीशी में, 4-MPAA समाधान के ०.५ मिलीलीटर के साथ HAuCl4 समाधान के ०.५ मिलीलीटर मिश्रण, और मिश्रण मिलाने के लिए एक सजातीय समाधान मिलता है ।
      2. एक 10 मिलीलीटर की शीशी में, 3-एमबीए समाधान के ०.५ मिलीलीटर के साथ HAuCl4 समाधान के ०.५ मिलीलीटर मिश्रण, और मिश्रण मिलाने के लिए एक सजातीय समाधान मिलता है ।
    5. १२.३ mM L-ascorbic एसिड समाधान की ०.५ मिलीलीटर जोड़ें वेफर-लथपथ मिश्रित समाधान । एक समान रूप से मिश्रित समाधान प्राप्त करने के लिए धीरे शीशी हिला ।
    6. छोड़ वेफर और समाधान 15 मिनट के लिए परेशान Si वेफर चमकदार भूरे रंग से लाल भूरे रंग से धीरे मोड़ की सतह का निरीक्षण ।
    7. बाहर Si वेफर ले और इथेनॉल और DI पानी के साथ कुल्ला, और परिवेश की स्थिति में एसआई वेफर शुष्क जब तक वेफर की सतह सोने के लिए बदल जाता है ।
    8. SEM के साथ Au nanowires वन संरचना की पुष्टि करें ।
  2. मिश्रित लाइगैंडों के साथ पतला Au nanowires का संश्लेषण ।
    1. 4-एमबीए और 3-mercaptopropanoic एसिड (3-MPA) (सी4-एमबीएc3-MPA = 3:1) के मिश्रित लाइगैंडों के साथ गाढ़ा Au nanowires का संश्लेषण ।
      1. Si वेफर चरण 2.1-2.2 में एक ही प्रक्रिया के बाद, बीज समाधान १०० बार पतला छोड़कर समझो ।
      2. को भंग करके एक 3 मिमी 4-एमबीए समाधान तैयार 4 के ४.६ मिलीग्राम-इथेनॉल के 10 मिलीलीटर में एमबीए ।
      3. इथेनॉल के 10 मिलीलीटर में 3-MPA के ३.२ मिलीग्राम भंग करके एक 3 मिमी 3-MPA समाधान तैयार करें ।
      4. 3 मिमी 3-MPA समाधान के ०.२५ मिलीलीटर के साथ ०.७५ मिलीलीटर 4-एमबीए समाधान का मिश्रण (एक 10 मिलीलीटर की शीशी में । धीरे शेक एक सजातीय समाधान पाने के लिए ।
      5. ५.१० mm HAuCl4 समाधान और १२.३ mm L-ascorbic एसिड समाधान 2.3.2-2.3.3 चरणों में एक ही प्रक्रिया के बाद तैयार करें ।
      6. चरण 3.2.1.4 में मिश्रित समाधान के लिए ५.१० mM HAuCl4 समाधान के ०.५ मिलीलीटर जोड़ें और धीरे से हल करने के लिए homogenize हिला ।
      7. एक 10 मिलीलीटर की शीशी में मिश्रित समाधान में कदम 3.2.1.1 से एसआई वेफर सोख । मिश्रित समाधान के लिए १२.३ mM L-ascorbic एसिड समाधान की ०.५ मिलीलीटर जोड़ें ।
      8. 10 मिनट के बाद, एसआई वेफर बाहर ले और इथेनॉल और DI पानी के साथ कुल्ला ।
      9. परिवेश की स्थिति में वेफर सूखी और SEM द्वारा संरचना की पुष्टि करें ।
    2. 4-एमबीए और 3-MPA (सी4-एमबीए3-MPA = 6:4) के मिश्रित ligand के साथ पतला Au nanowires संश्लेषित । ०.६ एमएल 3 मिमी 4-एमबीए समाधान और 3 मिमी 3-MPA समाधान के बजाय ०.४ मिलीलीटर के साथ चरण 3.2.1 में एक ही प्रक्रिया का पालन करें ।
    3. 4-एमबीए और 3-MPA (सी4-एमबीए3-MPA = 1:1) के मिश्रित लाइगैंडों के साथ पतला Au nanowires संश्लेषित । ०.५ एमएल 3 मिमी 4-एमबीए समाधान और 3 मिमी 3-MPA समाधान के बजाय ०.५ मिलीलीटर के साथ चरण 3.2.1 में एक ही प्रक्रिया का पालन करें ।

4. Au Nanowire आधारित परिसर Nanostructures का संश्लेषण

  1. मोटी-पतली-मोटी-पतली खंडों के साथ फॉल्ट Au nanowires का संश्लेषण ।
    1. 2.1-2.2 कदम में एक ही प्रक्रिया के बाद एसआई वेफर समझो ।
    2. को भंग करके एक १.६५ mM 4-एमबीए समाधान तैयार 4 के २.५ मिलीग्राम-इथेनॉल के 10 मिलीलीटर में एमबीए ।
    3. १.६५ mm 4-एमबीए समाधान 20 बार कमजोर द्वारा एक ०.०८३० mm 4-एमबीए समाधान तैयार करें ।
    4. HAuCl4 और एल ascorbic एसिड समाधान 2.3.2-2.3.3 चरणों में एक ही प्रक्रिया के बाद तैयार ।
    5. वृद्धि समाधान के १.५ मिलीलीटर तैयार १.६५ मिमी 4 के ०.५ मिलीलीटर-एमबीए समाधान, ५.१० mm HAuCl4 समाधान के ०.५ मिलीलीटर, और ०.५ मिमी L-ascorbic एसिड समाधान की १२.३ मिलीलीटर (अंतिम एकाग्रता: c4-एमबीए = ०.५५० मिमी, सीHAuCl4 = १.७० मिमी , सीएल-ascorbic एसिड = ४.१० mM) ।
    6. ०.०८३० मिमी 4-एमबीए समाधान के ०.५ मिलीलीटर मिश्रण से विकास समाधान बी के १.५ मिलीलीटर तैयार, ०.५ मिलीलीटर की ५.१० मिमी HAuCl4 समाधान, ०.५ मिलीलीटर की १२.३ मिमी L-ascorbic एसिड समाधान (अंतिम एकाग्रता: c4-MBA = ०.०२८० mm, cHAuCl4 = १.७० mm, cL-ascorbic अम्ल = ४.१० मिमी).
    7. एक 10 मिलीलीटर के बारे में 1 मिनट के लिए विकास समाधान बी युक्त शीशी में एसआई वेफर विसर्जित कर दिया ।
    8. तेजी से एक और 10 मिलीलीटर विकास समाधान एक युक्त शीशी को सुखाने के बिना Si वेफर हस्तांतरण और यह 2 मिनट के लिए विकसित करने के लिए छोड़ दें ।
    9. दोहराएं चरण 4.1.7-4.1.8 एक और अधिक समय ।
    10. एसआई वेफर बाहर ले लो और इथेनॉल के ५० मिलीलीटर और DI पानी की ५० मिलीलीटर के साथ कुल्ला ।
    11. SEM द्वारा परिणामस्वरूप वर्गीकृत Au nanowires की संरचना की पुष्टि करें ।
  2. nanoflowers का संश्लेषण
    1. एक 5 मिनट ओ2 प्लाज्मा उपचार के अलावा कदम 2.1-2.2 में एक ही प्रक्रिया के बाद एसआई वेफर समझो ।
    2. एक 10 मिलीलीटर शीशी में Si वेफर सोख एक 10000x युक्त 3-5 एनएम Au बीज समाधान के लिए 15 मिनट ।
    3. DI पानी के साथ अच्छी तरह से कदम 4.2.2 से Si वेफर धो को हटाने के लिए लीन Au नैनोकणों ।
    4. ०.५५० मिमी 4-एमबीए, १.७० mm HAuCl4, और ४.१० mm L-ascorbic-एसिड, चरण 4.1.5 में एक ही प्रक्रिया के बाद युक्त एक विकास समाधान तैयार करें ।
    5. 30 एस के लिए वृद्धि समाधान युक्त 10 मिलीलीटर शीशी में वेफर सोख लें ।
    6. विकास के समाधान से वेफर निकालें और समाधान की एक पतली परत छोड़ (~ 13-15 μL) वेफर पर ।
    7. जल्दी से झटका-कमरे के तापमान पर वेफर सूखी ।
    8. SEM द्वारा nanoflower संरचना की पुष्टि करें ।

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Representative Results

au nanoparticle बीज, सब्सट्रेट-बाउंड au nanowires और au nanowire आधारित व्युत्पंन nanostructures sem के साथ विशेषता हैं । 1 चित्रा 3-5 एनएम au नैनोकणों के प्रतिनिधि SEM छवियां, 15 एनएम au नैनोकणों और ४० एनएम au से पता चलता है नैनोकणों adsorbed एसआई वेफर पर, उनके आकार, सोखना और वितरण की पुष्टि । Au nanowires एसआई वेफर सब्सट्रेट पर संबंधित बीज से हो भी प्रस्तुत कर रहे हैं । प्रतिनिधि ठेठ Au nanowires के SEM छवियों वेफर सब्सट्रेट, यानी, कांच सब्सट्रेट, आदिके अलावा अंय सब्सट्रेट चित्रा 2में प्रस्तुत कर रहे हैं । विभिंन लाइगैंडों और मिश्रित लाइगैंडों के साथ संश्लेषित nanowires के प्रतिनिधि SEM छवियों चित्रा 3में प्रस्तुत कर रहे हैं । इस प्रतिनिधि SEM nanowires और nanoflower संरचना के चित्र 4 चित्रामें प्रस्तुत कर रहे हैं ।

Figure 1
चित्रा 1: nanowire विकास से पहले Au nanoparticle बीज की SEM छवियां: (क) 3-5 एनएम, (ख) 15 एनएम, और (ग) ४० एनएम Au नैनोकणों। Au nanowires (डी) 3-5 एनएम, (ई) 15 एनएम और (एफ) ४० एनएम के बीज पर वेफर सब्सट्रेट से उगाया । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्रा 2: Au nanowires के SEM छवियों एसआई वेफर के अलावा अंय सब्सट्रेट पर हो गया । Nanowires से उगाए गए: (a)अल 2O3, (b) SrTiO3, (c) LaAlO3 (d) ग् लाइड, (e) इतो और (f) FTO सब्सट्रेट्स. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्रा 3: अंय लाइगैंडों के साथ संश्लेषित की SEM छवियां । Ultrathin nanowire सरणियों के साथ गठित (a) MPAA, (b) 2-Naphthalenethiol, (c) 3-एमबीए लाइगैंडों. पतला Au nanowires 4-एमबीए और 3-MPA के मिश्रित लाइगैंडों के साथ गठित: (d) सी4-एमबीए : c3-MPA = 3:1, (e) c4-mba : c3-MPA = 6:4 और (f) c4-mba : c3-MPA = 1:1. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 4
चित्रा 4: जटिल Au-nanostructures आधारित के SEM छवियां । (क) मोटे-पतले-मोटे-पतले खंडों वाले खंड nanowire; (ख) सब्सट्रेट पर वृद्धि समाधान सुखाने से nanoflowers. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

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Discussion

इस सक्रिय सतह विकास शासित nanowire संश्लेषण के तंत्र को पिछले काम19में व्यापक रूप से चर्चा की गई है । इसके अतिरिक्त, बीजों के आकारों और प्रकारों के प्रभाव के साथ ही ligand प्रकार और आकारों के प्रभाव की भी20,21जांच की गई है । आम तौर पर. nanowire वृद्धि पिछले रिपोर्ट मार्गों से बहुत अलग है । कोई टेंपलेट की आवश्यकता है, और असममित विकास ligand-छाया au सतह और au का सामना करना पड़ सतहों के बीच मतभेदों से प्रेरित है सब्सट्रेट । सक्रिय सतह पूरे विकास प्रक्रिया में सक्रिय रहता है, के बाद से नए जमा Au सतह हमेशा ताजा और ligand की कमी है । यहां हम इस संश्लेषण प्रदर्शन में प्रयोगात्मक संचालन पर हमारी चर्चा ध्यान केंद्रित होगा । प्रतिक्रिया परिवेश स्थिति के तहत जगह लेता है; फिर भी, कुछ बिंदुओं को synthesizing में बेहतर नियंत्रण के लिए इन nanostructures पर बल दिया जाना आवश्यक है ।

Au nanowires के संश्लेषण बीज नैनोकणों की तैयारी के साथ शुरू होता है । आम तौर पर, किसी भी Au nanostructures nanowires बढ़ती के लिए बीज के रूप में नियोजित किया जा सकता है । हालांकि, सब्सट्रेट पर बीज का घनत्व निम्न Au जमाव और nanowire विकास प्रक्रिया के लिए महत्वपूर्ण है । बीज घनत्व सक्रिय साइट के घनत्व का फैसला करता है, जहां Au पर जमा होगा । यदि ligand, HAuCl4 और एल-ascorbic एसिड की सांद्रता लगातार रखा जाता है, Au की राशि प्रति यूनिट समय एक ही रहना होगा कम हो । एक परिणाम के रूप में, Au nanowire प्रत्येक सक्रिय साइट पर हो बहुत तेजी से हो और प्राप्त nanowires अब होगा अगर बीज का घनत्व कम हो जाती है । एक और संभव परिदृश्य की उपस्थिति और au nanowire बंडलों का विस्तार होगा, के बाद से बहुत ज्यादा Au बयान एक सक्रिय साइट पर विस्तार और सक्रिय सतह विभाजन का कारण होगा । सब्सट्रेट पर बीज का घनत्व दो तरह से नियंत्रित किया जा सकता है: बीज मशीन समय और बीज समाधान की एकाग्रता सब्सट्रेट मशीन के लिए इस्तेमाल किया । यह उल्लेख के लायक है कि प्रत्येक Au नैनोकणों समाधान की सांद्रता यहां वर्णित ही नहीं हैं, और अंतर परिमाण के आदेश में हो सकता है । इसलिए बीज समाधान की एकाग्रता कभी-कभार जरूरी हो जाती है । के रूप में प्रतिनिधि 3-5 एनएम और 15 एनएम au नैनोकणों की तुलना परिणाम में दिखाया गया है, Au गैर से हो nanowire केंद्रित ४० एनएम au नैनोकणों बहुत लंबा है, और फार्म बंडलों । दूसरी ओर, मिश्रित लाइगैंडों के साथ मोटी nanowires तैयार करते समय बीज घनत्व को जानबूझकर कम कर दिया जाता है. यह nanowires के फ्यूजन से बचने के लिए है, के रूप में मोटी nanowire विकास के दौरान पार्श्व विकास अनुदैर्ध्य बढ़ाव के साथ एक साथ होता है । घने बीज सोखना बहुत शुरुआत चरण में एक सतत au फिल्म के लिए au बीज के संलयन का नेतृत्व करेंगे, आगे nanowire विकास को रोकने ।

बीज के सब्सट्रेट सोखना Au बीज सतह पर एक व्यवस्थित विषमता बनाने के लिए महत्वपूर्ण है । हम अमीन निहित siloxane का उपयोग करने के लिए Au बीज के लगाव को प्राप्त करने । यह आम तौर पर स्वीकार किए जाते है कि Au बीज अमीन समूह और nanoparticle सतह22के बीच इलेक्ट्रोस्टैटिक बातचीत से adsorbed हैं । कुछ मामलों में जहां बीज के कण सकारात्मक रूप से वसूले जाते हैं, वहीं जातिगत और शुष्क विधि भी नियोजित हो सकती थी । APTES पानी में hydrolyzing/इथेनॉल समाधान के बाद एसआई-ओ बांड के माध्यम से वेफर और ग्लास चिप सतह से जुड़ा हुआ है । सैद्धांतिक रूप से, किसी भी सतह कि APTES के साथ गाढ़ा सकता है Au nanowires के विकास को सुविधाजनक बनाने में सक्षम होगा । इस काम में, हम कई आक्साइड सतहों के साथ इस प्रदर्शन । एक ओ2 प्लाज्मा उपचार के लिए आंशिक रूप से सब्सट्रेट सतह ऑक्सीकरण और प्रत्यारोपण-OH समूह है कि APTES के साथ गाढ़ा सकता है आवश्यक है । ओ2 प्लाज्मा उपचार अपनी स्वच्छ और सरल आपरेशन प्रक्रिया के कारण चुना जाता है; अंयथा, पिरांहा समाधान भी-ओह समूह बनाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है । सब्सट्रेट तैयारी के लिए एक और महत्वपूर्ण बात यह है कि-एनएच2 की सतह एकाग्रता भी बीज सोखना पर एक महत्वपूर्ण प्रभाव हो सकता है । हालांकि हम सीधे सतह के उपचार के परिणाम को चिह्नित नहीं कर सका, आपरेशन प्रक्रिया के रूप में ठीक संभव के रूप में किया जाना चाहिए ।

प्रत्येक चरण के बाद सब्सट्रेट की धुलाई कभी-कभार महत्वपूर्ण है, विशेष रूप से APTES उपचार के बाद । मुक्त APTES अणु भी Au नैनोकणों सतह पर adsorb सकता है । एक पूरी तरह से धोने के बिना, बीज समाधान काफी भिगोने की प्रक्रिया के दौरान समग्र होगा । एकत्रित बीज अभी भी सब्सट्रेट पर adsorb और Au nanowire विकास प्रेरित कर सकते हैं । हालांकि, के बाद से एकत्रीकरण बहुत बीज की एकाग्रता को कम करेगा, सक्रिय स्थलों का घनत्व भी तेजी से घट जाती है । नतीजतन, अंतिम nanowires क्षेत्र के शीर्ष Au nanoparticle agglomerates होगा, और nanowires के बजाय जंगल के बंडल बख्शा हो ।

ठेठ Au nanowire विकास पानी और इथेनॉल के एक मिश्रित विलायक में जगह लेता है (v/v = 1:1) । चूंकि ligand 4-एमबीए इथेनॉल में घुलनशील नहीं है, यह पहले इथेनॉल समाधान में भंग किया जाना चाहिए, और फिर वृद्धि समाधान के परिणाम के साथ मिलाया । घुलनशीलता मुद्दे के अलावा, विलायक अनुपात ही भी महत्वपूर्ण भूमिका nanowire विकास तय निभाता है । सक्रिय सतह के क्षेत्र ligand सोखना अनुपात और Au के जमाव दर से फैसला किया है । एल-ascorbic एसिड की कमी क्षमता अलग सॉल्वैंट्स में और अलग पीएच वातावरण23पर बदलता है । विलायक अनुपात बदलने Au कमी और जमाव की दर को तुरंत बदल जाएगा । पानी के अनुपात में वृद्धि बहुत तेजी से au कमी और संभव सजातीय nucleation, जो सब्सट्रेट-बाध्य Au nanowires के विकास को रोकता में परिणाम सकता है ।

विलायक अनुपात के समान, लाइगैंडों की एकाग्रता भी सीधे nanowire गठन को प्रभावित करता है, के रूप में यह न केवल au सतह passivates, लेकिन यह भी au स्थिर और सजातीय nucleation रोकता है । ligand की एक अतिरिक्त राशि बहुत नीचे Au कमी धीमी हो जाएगी । उदाहरण के लिए, ligand एकाग्रता में वृद्धि 5 बार २.५ mM के लिए21सब्सट्रेट पर कोई Au जमाव में परिणाम होगा । ligand एकाग्रता को कम करने nanowire व्यास में वृद्धि का कारण है और कई बार सजातीय nucleation, बाद एक बेरंग से भूरा या लाल से समाधान के परिवर्तन का प्रतीक होगा । सजातीय nucleation au टाक के लिए विषम au nanowire विकास के साथ प्रतिस्पर्धा करेंगे । सजातीय nucleation की डिग्री पर निर्भर करता है, au nanowire विकास पूरी तरह से या आंशिक रूप से बंद हो सकता है au खिला स्टॉक की कमी से ।

अंत में, हम विभिंन सब्सट्रेट्स पर सब्सट्रेट-बाउंड Au nanowires तैयार करने के लिए एक उपंयास विधि का प्रदर्शन करते हैं । Au nanowires फ्लैट सब्सट्रेट सतह पर एक सरणी के रूप में । चौड़ाई, लंबाई और घनत्व आसानी से प्रतिक्रिया मापदंडों को बदलकर देखते हैं । nanowires की सतह रसायन लाइगैंडों द्वारा समायोजित किया जा सकता है, और अधिक मोटा nanowires लाइगैंडों के दो विभिन्न प्रकार के मिश्रण से गठित किया जा सकता है. इसके अलावा, au nanowires-व्युत्पंन परिसर au nanostructures कई विभिंन विकास की स्थिति के संयोजन के द्वारा गठित किया जा सकता है ।

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Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

हम कृतज्ञता राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन ऑफ चाइना (२१७०३१०४), Jiangsu विज्ञान और प्रौद्योगिकी योजना (SBK2017041514) नानजिंग टेक विश्वविद्यालय (३९८३७१३१) से वित्तीय सहायता स्वीकार करते हैं, और Jiangsu राष्ट्रीय Synergetic से SICAM फैलोशिप उंनत सामग्री के लिए नवाचार केंद्र ।

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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रसायन विज्ञान अंक १३७ धातु nanowire सोना बीज विकास thiolated ligand सब्सट्रेट आकृति विज्ञान नियंत्रण
एक सक्रिय सतह वृद्धि तंत्र के माध्यम से सब्सट्रेट-बाउंड Au Nanowires का संश्लेषण
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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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