Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Syntesen av substrat-bundna Au nanotrådar Via en aktiv yta tillväxt mekanism

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 rapporterar en lösning-baserade metod att syntetisera substrat-bundna Au nanotrådar. Genom att trimma de molekylära ligander som används under syntesen, kan den Au nanotrådar odlas från olika substrat med olika ytegenskaper. Au nanotråd-baserade nanostrukturer kan också syntetiseras genom att justera parametrarna reaktion.

Abstract

Advancing syntetiska kapacitet är viktigt för utvecklingen av nanovetenskap och nanoteknik. Syntesen av nanotrådar har alltid varit en utmaning, eftersom det kräver asymmetrisk tillväxt av symmetriska kristaller. Vi rapporterar här, en distinkt syntes av substrat-bundna Au nanotrådar. Denna mall-fri syntes sysselsätter thiolated ligander och substrat adsorption att uppnå kontinuerlig asymmetrisk nedfall av Au i lösningen vid omgivningsförhållanden. Thiolated liganden förhindras Au nedfall på den exponerade ytan av frön, så Au nedfall uppstår endast i gränssnittet mellan Au frön och substrat. Sidan av den nyligen deponerade Au nanotrådar är omedelbart täckt med thiolated liganden, medan botten inför substratet förblir ligand-fri och aktiv för nästa omgång av Au nedfall. Vi visar vidare att denna Au nanotråd tillväxt kan induceras på olika substrat, och olika thiolated ligander kan användas för att reglera nanotrådar ytan kemi. Diametern på nanotrådar kan även styras med blandade ligander, där en annan ”dåliga” ligand kunde vända på den laterala tillväxten. Med förståelsen av mekanismen, kan Au nanotråd-baserade nanostrukturer utformas och syntetiseras.

Introduction

Typiskt för en dimensionell nanomaterial, nanotrådar besitter både bulk-relaterade egenskaper och de unika egenskaperna som härstammar från de kvantmekaniska effekterna av nanoskala struktur. Som en bro mellan nanoskala och bulk skala material, har de allmänt tillämpats inom olika områden av katalys, avkänning och Nanoelektroniska enheter, etc. 1 , 2 , 3.

Syntesen av nanotrådar har dock länge varit en stor utmaning, eftersom det kräver vanligtvis att bryta den inneboende symmetrin i kristallerna. Traditionellt används en mall att reglera nedfallet av material. Till exempel, har mall-elektroavsättning använts för bildandet av olika typer av nanotrådar som Ag nanotrådar och CD-skivor nanotrådar4,5,6,7,8,9 ,10. En annan vanlig metod är vapor-flytande-fast (VLS) tillväxt, som sysselsätter en smält katalysator att inducera Anisotrop tillväxten på substratet en förhöjd temperatur11. Gemensamma strategier för syntesen av metall nanotrådar är polyol metoderna för Ag nanotrådar och oleylamine-assisted ultrathin Au nanotrådar12,13,14,15. Båda metoderna är material-specifika och nanotråd parametrarna är inte lätt inställda under syntesen. Dessutom kan metall nanotrådar också bildas av tryck-driven metoden, där de monterade metalliska nanopartiklarna är mekaniskt komprimerade och smält i nanotrådar16,17,18.

Nyligen rapporterade vi en distinkt metod till syntes Au nanotrådar19. Med hjälp av en thiolated liten molekyl ligand, kunde nanotrådar växer och bildar ett vertikalt justerad utbud på huvuddelen Si wafer substrat på omgivningsförhållanden. Det konstaterades att liganderna spelar en viktig roll i symmetribrott tillväxten. Det binder till ytan av substrat-adsorberat Au frön starkt, tvinga Au att deponera selektivt i ligand-brist gränssnittet mellan frön och substrat. Gränssnittet mellan nyligen deponerade Au och substratet förblir ligand bristfällig, den aktiva ytan finns därför under hela tillväxten. Genom att trimma ligand koncentrationen, utsäde typ och koncentration samt flera andra parametrar, kunde en serie av Au nanotråd-baserade nanostrukturer syntetiseras.

I detta arbete, kommer vi ge ett detaljerat protokoll för denna bekvämt Au nanotrådar syntes. Härledda syntesen presenteras också, inklusive syntesen av Au nanotrådar med hydrofoba ytan egendom, Au nanotrådar på andra substrat, avsmalnande Au nanotrådar genom att blanda två ligander och nanotråd-baserade Au nanostrukturerna bildas av tuning tillväxten villkor.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Försiktighet: Kontrollera säkerhetsdatablad (MSDS) av kemikalier för detaljerad instruktion för hantering och lagring. Var försiktig vid hantering av nanomaterial, eftersom det kan finnas oidentifierade risk. Vänligen utföra experimenten i ett dragskåp och bära lämplig personlig skyddsutrustning.

1. Sammanfattning av utsäde nanopartiklar

Obs: För att undvika fel som orsakas av för tidig kärnbildning under nanopartiklar syntes, tvätta baren glasvaror och rör används i syntesen med kungsvatten och skölj noga med vatten.

  1. Syntesen av 3-5 nm Au nanopartiklar
    1. Bered en väte tetrachloroaurate (III) (HAuCl4) genom upplösning 10 mg HAuCl4∙3H2O i 1 mL avjonisering vatten (DI) i en injektionsflaska med 4 mL. Pipettera 0,197 mL av HAuCl4 lösningen till en 50 mL runda-botten kolv.
    2. Lägga till 19,7 mL DI vatten kolven späd HAuCl4 lösningen.
    3. Lös 10 mg natrium citrat i 1 mL DI vatten i en annan 4 mL injektionsflaska att förbereda en 1% natriumcitrat stamlösning. Tillsätt 0.147 mL 1% natriumcitrat lösningen till den utspädda HAuCl4 lösningen bereddes i steg 1.1.2.
    4. Bered en 0,1 M natrium natriumborhydrid (NaBH4) genom upplösning 2,3 mg för NaBH4 i 0,6 mL avjoniseratvatten.
    5. Snabbt injicera 0,6 mL 0,1 M NaBH4 lösning i blandningen från steg 1.1.3 under kraftig omrörning. Kontrollera om en omedelbar färgförändring av lösningen från ljusgul till ljust orange.
    6. Rör blandningen för en annan 10 min. vänta en gradvis färgförändring av lösningen till rödaktig orange.
    7. Kontrollera storleken på de erhållna Au nanopartiklarna med UV-Vis spektroskopi och svepelektronmikroskopi (SEM).
  2. Syntesen av 15 och 40 nm Au nanopartiklar
    1. Tillsätt 100 mL DI vatten i en 250 mL runda-botten. Väga 10 mg HAuCl4∙3H2O fast och lös den i runda-botten kolven.
    2. Lägga till en magnetisk uppståndelse i kolven och utrusta kolven med en kondensator. Rör om och värm en lösning beredd enligt 1.2.1 till 100 ° C i ett oljebad. Reflux lösningen för 10 min.
    3. Väger 40 mg av natriumcitrat och lös den i 4 mL DI vatten för att förbereda en 1% natriumcitrat stamlösning.
    4. För att syntetisera 15 nm Au nanopartiklar, tillsätt 3 mL 1% natriumcitrat lösningen från steg 1.2.3 till kokt blandningen med en spruta.
      Obs: Färgen på lösningen visar grå i 1 min, och sedan gradvis till röd.
      1. För att syntetisera 40 nm Au nanopartiklar, injicera 1,5 mL 1% natriumcitratlösning i kokande lösningen från steg 1.2.2 med en spruta. Förvara lösningen kokning tills den ändras till rött i ca 10 min.
        Obs: Färgen på lösningen ändras från öppen till mörkgrå, sedan till svart, och slutligen till lila i ca 1 min.
    5. Fortsätta att reflux reaktion lösningen för 30 min. Cool ner lösningen till rumstemperatur på omgivningsförhållanden.
    6. Karakterisera storlek och enhetlighet i de resulterande Au nanopartiklarna med UV-Vis spektroskopi och SEM.

2. Sammanfattning av Au nanotrådar (längd = ~ 500 nm) på kiselskivor (Si) och olika substrat

  1. Förbereda underlaget för utsäde adsorption.
    1. Skär Si rånet i 5 mm ´ 5 mm bitar. Ren Si wafer bitar med DI vatten och etanol sekventiellt i ultraljudsbad, var och en för 15 min.
    2. Behandla Si rånet med 29,6 W av O2 plasma (drivs på 220 V) i 20 min.
      Obs: Ytan av rånet blir hydrofil.
    3. Bered en 5 mM 3-aminopropyltrietoxisilan (APTES) genom upplösning 11,1 mg av APTES till en blandning av DI vatten (5 mL) och etanol (5 mL) i en 20 mL injektionsflaska.
    4. Fukta en bit av Si wafer med APTES lösningen bereddes i steg 2.1.3 i en 20 mL injektionsflaska för 30 min.
    5. Ta ut Si rånet och tvätta det med etanol och DI-vatten.
  2. Adsorbera utsäde nanopartiklar på substratet.
    1. Blötlägg Si rånet i 3-5 nm Au frön lösningen bereddes i steg 1,1 för 2 h.
      1. För att växa Au nanotrådar från 15 nm Au frön, Blötlägg Si rånet i 15 nm Au nanopartiklar lösningen för 2 h.
      2. För att växa Au nanotrådar från 40 nm Au frön, Blötlägg Si rånet i 40 nm Au nanopartiklar lösningen för 2 h.
    2. Ta ut Si rånet och tvätta det med 50 mL DI vatten för att avlägsna absorberade Au nanopartiklar.
  3. Växa de substrat-bundna Au nanotrådar.
    1. Bered en 1.65 mM 4-mercaptobenzoic syra (4-MBA) genom upplösning 2,5 mg 4-MBA i 10 mL etanol.
    2. Förbereda en 5,10 mM HAuCl4 lösning genom att lösa 20,1 mg HAuCl4∙3H2O i en blandning av 5 mL etanol och 5 mL DI vatten.
    3. Bered en 12,3 mM L-ascorbic syra genom upplösning 21,7 mg L-Askorbinsyra i 10 mL DI vatten.
    4. Blanda 0,5 mL 5,10 mM HAuCl4 lösning med 0,5 mL 1.65 mM 4-MBA lösning i en 10 mL injektionsflaska.
    5. Blötlägg frö-adsorberat Si rånet från steg 2.2.2 i den blanda lösningen bereddes i steg 2.3.4.
    6. Tillsätt 0,5 mL 12,3 mM L-ascorbic syra lösning i wafer-indränkt blandade lösningen. Skaka injektionsflaskan försiktigt så att lösningen blandas jämnt.
    7. Lämna rånet och lösningen ostört för 15 min. Kontrollera bubbla bildandet under tillväxtprocessen och färgaändringen av ytan av Si rånet från glänsande grå till rödbrun.
    8. Ta ut Si rånet och skölj den med etanol och DI-vatten. Torka Si rånet på omgivningsförhållanden och vänta på ytan av rånet att vända sig till guld.
    9. Karakterisera morfologi av det Au nanotrådar med SEM.
  4. För tillväxten av Au nanotrådar på en glasskiva följer Al2O3, SrTiO3, LaAlO3, indium tinoxiden (ITO) och F-dopade tinoxiden (FTO) substrat, samma förfaranden, inklusive rengöringsprocesser.

3. Sammanfattning av Au nanotrådar med olika ligander

  1. Syntesen av Au nanotråd skogar med olika thiolated ligander: 2-naphthalenethiol (2-NpSH), 4-mercaptophenylacetic syra (4-MPAA) och 3-mercaptobenzoic syra (3-MBA).
    1. Behandla Si rånet följer samma förfaranden i steg 2.1-2.2.
    2. Bered en 1.65 mM 2-NpSH genom upplösning 2,6 mg 2-NpSH i 10 mL etanol.
      1. Bered en 1.65 mM 4-MPAA genom upplösning 2,8 mg 4-MPAA i 10 mL etanol.
      2. Bered en 1.65 mM 3-MBA genom upplösning 2,5 mg 3-MBA i 10 mL etanol.
    3. Förbereda 5,10 mM HAuCl4 lösning och 12,3 mM L-Askorbinsyra syralösning på samma sätt i steg 2.3.1-2.3.3.
    4. Blanda 0,5 mL av HAuCl4 lösningen med 0,5 mL 2-NpSH lösning i en 10 mL flaska, och skaka blandningen för att få en homogen lösning.
      1. Blanda 0,5 mL av HAuCl4 lösningen med 0,5 mL 4-MPAA lösning i en 10 mL flaska, och skaka blandningen för att få en homogen lösning.
      2. Blanda 0,5 mL av HAuCl4 lösningen med 0,5 mL 3-MBA lösning i en 10 mL flaska, och skaka blandningen för att få en homogen lösning.
    5. Lägg till 0,5 mL 12,3 mM L-ascorbic syra lösning till wafer-indränkt blandad lösning. Skaka flaskan försiktigt för att få ett jämnt blandad lösning.
    6. Lämna rånet och lösningen ostört för 15 min. Observera ytan av Si rånet vänder sig sakta från glänsande grå till rödbrun.
    7. Ta ut Si rånet och skölj den med etanol och DI vatten, och torka Si rånet på omgivningsförhållanden tills ytan av rånet blir till guld.
    8. Bekräfta de Au nanotrådar skog struktur med SEM.
  2. Syntes av avsmalnande Au nanotrådar med blandade ligander.
    1. Syntes av förtjockad Au nanotrådar med blandade ligander 4-MBA och 3-mercaptopropanoic syra (3-MPA) (c4-MBA/c3-MPA = 3:1).
      1. Behandla Si rånet följer samma förfaranden i steg 2.1-2.2, förutom späd utsäde lösningen 100 gånger.
      2. Bered en 3 mM 4-MBA genom upplösning 4,6 mg 4-MBA i 10 mL etanol.
      3. Bered en 3 mM 3-MPA genom upplösning 3,2 mg 3-MPa i 10 mL etanol.
      4. Blanda 0,75 mL 3 mM 4-MBA lösning med 0,25 mL 3 mM 3-MPA lösning (i en 10 mL injektionsflaska. Skaka försiktigt för att få en homogen lösning.
      5. Förbereda 5,10 mM HAuCl4 lösning och 12,3 mM L-Askorbinsyra syralösning på samma sätt i steg 2.3.2-2.3.3.
      6. Tillsätt 0,5 mL 5,10 mM HAuCl4 lösning till den blanda lösningen i steg 3.2.1.4 och skaka försiktigt för att homogenisera lösningen.
      7. Blötlägg Si rånet från steg 3.2.1.1 i den blanda lösningen i en 10 mL injektionsflaska. Tillsätt 0,5 mL 12,3 mM L-ascorbic syra lösning till den blanda lösningen.
      8. Efter 10 min, ta Si rånet ut och skölj med etanol och DI-vatten.
      9. Torka rånet på omgivningsförhållanden och bekräfta struktur av SEM.
    2. Syntetisera avsmalnande Au nanotrådar med blandade ligand 4-MBA och 3-MPA (c4-MBA/c3-MPA = 6:4). Följ samma förfaranden i 3.2.1 steg med 0,6 mL 3 mM 4-MBA lösning och 0,4 mL 3 mM 3-MPA lösning istället.
    3. Syntetisera avsmalnande Au nanotrådar med blandade ligander 4-MBA och 3-MPA (c4-MBA/c3-MPA = 1:1). Följ samma förfaranden i steg 3.2.1 med 0,5 mL av 3 mM 4-MBA lösning och 0,5 mL 3 mM 3-MPA lösning istället.

4. Sammanfattning av Au nanotråd-baserade komplexa nanostrukturer

  1. Syntes av segmentell Au nanotrådar med tjock-tunn-tjock-tunn segment.
    1. Behandla Si rånet följer samma förfaranden i steg 2.1-2.2.
    2. Bered en 1.65 mM 4-MBA genom upplösning 2,5 mg 4-MBA i 10 mL etanol.
    3. Bered en 0.0830 mM 4-MBA genom att späda den 1,65 mM 4-MBA lösningen 20 gånger.
    4. Förbered HAuCl4 och L-askorbinsyralösning följer samma förfaranden i steg 2.3.2-2.3.3.
    5. Förbered 1,5 mL tillväxt lösning A genom att blanda 0,5 mL 1.65 mM 4-MBA lösning, 0,5 mL 5,10 mM HAuCl4 lösning och 0,5 mL 12,3 mM L-ascorbic syra lösning (slutliga koncentration: c4-MBA = 0,550 mM, cHAuCl4 = 1,70 mM cL - Askorbinsyra = 4,10 mM).
    6. Förbered 1,5 mL tillväxt lösning B genom att blanda 0,5 mL 0.0830 mM 4-MBA lösning, 0,5 mL 5,10 mM HAuCl4 lösning, 0,5 mL 12,3 mM L-ascorbic syra lösning (slutliga koncentration: c4-MBA = 0.0280 mM, cHAuCl4 = 1,70 mM, cL-Askorbinsyra Acid = 4,10 mM).
    7. Sänk ner Si rånet i en 10 mL injektionsflaska innehållande tillväxt lösning B i ca 1 min.
    8. Snabbt överföra Si rånet utan att torka till en annan 10 mL injektionsflaska innehållande tillväxt lösning A och låt den växa i 2 min.
    9. Upprepa steg 4.1.7-4.1.8 en gång.
    10. Ta Si rånet ut och skölj med 50 mL etanol och 50 mL DI vatten.
    11. Bekräfta strukturen i den resulterande segmenterade Au nanotrådar av SEM.
  2. Syntes av nanoflowers
    1. Behandla Si rånet efter samma förfaranden i steg 2.1-2.2, utom med en 5 min O2 plasmabehandling.
    2. Blötlägg Si rånet i en 10 mL injektionsflaska innehållande en 10000 x utspädda 3-5 nm Au frön lösning för 15 min.
    3. Tvätta Si rånet från steg 4.2.2 noggrant med DI vatten för att avlägsna absorberade Au nanopartiklar.
    4. Bered en tillväxt som innehåller 0,550 mM 4-MBA, 1,70 mM HAuCl4och 4,10 mM L-askorbinsyra, följer samma förfaranden i steg 4.1.5.
    5. Blötlägg rånet i en 10 mL injektionsflaska innehållande tillväxt lösningen för 30 s.
    6. Ta bort rånet från tillväxt lösningen och lämna ett tunt lager av lösningen (~ 13-15 μL) på rånet.
    7. Snabbt föna rånet vid rumstemperatur.
    8. Bekräfta nanoflower struktur av SEM.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Au nanopartiklar frön, substrat-bundna Au nanotrådar och Au nanotråd-baserade härledda nanostrukturer kännetecknas med SEM. figur 1 visar de representativa SEM bilderna inom 3-5 NM Au nanopartiklar, 15 nm Au nanopartiklar och 40 nm Au nanopartiklar adsorberat på Si rånet, bekräftar deras storlekar, adsorption och distribution. De Au nanotrådar odlas från respektive frön på Si wafer underlaget presenteras också. De representativa SEM-bilderna av de typiska Au nanotrådar substratesna än den wafer substrat, dvs, glassubstrat, osv. presenteras i figur 2. De representativa SEM-bilderna av den förtjockade nanotrådar syntetiseras med olika ligander och blandade ligander presenteras i figur 3. De representativa SEM-bilderna av segmentell nanotrådar och nanoflower struktur, presenteras i figur 4.

Figure 1
Figur 1: SEM-bilder av Au nanopartiklar frön innan nanotråd tillväxt: (a) 3-5 nmb 15 nm, och (c) 40 nm Au nanopartiklar. Au nanotrådar vuxit från (d) 3-5 nm, (e) 15 nm och (f) 40 nm frön på wafer substrat. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: SEM-bilder av det Au nanotrådar som odlats på substrat än Si wafer. Nanotrådar vuxit från: (en) Al2O3, (b), SrTiO3, (c), LaAlO3 (d) glas bild, (e) ITO och (f) FTO substrat. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: SEM-bilder av den syntetiserade med andra ligander. Ultratunna nanotråd matriser bildade med (en) MPAA, (b) 2-Naphthalenethiol, (c) 3-MBA ligander. Avsmalnande Au nanotrådar bildade med blandade ligander 4-MBA och 3-MPA: (d) c4-MBA : c3-MPA = 3:1, (e) c4-MBA : c3-MPA = 6:4 och (f) c4-MBA : c3-MPA = 1:1. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: SEM-bilder av komplexa Au NW-baserade nanostrukturer. (en) segment nanotråd med tjock-tunn-tjock-tunn segment; (b) nanoflowers genom torkning tillväxt lösningen på substratet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Mekanismen för denna aktiva ytan tillväxt styrs nanotråd syntes har diskuterats utförligt i tidigare arbete19. Dessutom har effekterna av utsäde storlekar och typer samt effekten av liganden typer och storlekar också undersökts20,21. Allmänhet. nanotråd tillväxten skiljer sig mycket från tidigare rapporterade rutter. Ingen mall krävs, och asymmetrisk tillväxt framkallas av skillnaderna mellan ligand-capped Au ytan och Au ytorna mot underlaget. Den aktiva ytan förblir aktiv under hela tillväxtprocessen, eftersom nyligen deponerade Au ytan är alltid färska och ligand-brist. Här skulle vi koncentrera vår diskussion om experimentell operation i utför denna syntes. Reaktionen sker under omgivande villkor; några punkter måste dock fortfarande betonas för bättre kontroll i syntetisera dessa nanostrukturer.

Syntesen av det Au nanotrådar börjar med förberedelsen av utsäde nanopartiklar. I allmänhet kan någon Au nanostrukturer användas som utsäde för växer nanotrådar. Tätheten av frön på substratet är dock viktiga för följande Au nedfall och nanotråd tillväxtprocessen. Utsäde tätheten beslutar tätheten av aktiva platsen, där Au skulle sätta in pengar på. Om koncentrationerna av liganden, HAuCl4 och L-Askorbinsyra hålls konstant, Au få minskas per enhet tid skulle förbli densamma. Som ett resultat, den Au nanotråd odlas på varje aktiv plats skulle vara mycket snabbare och den erhållna nanotrådar skulle vara längre om tätheten av utsädet minskar. Ett annat möjligt scenario vore utseende och expansion av Au nanotråd buntarna, eftersom för mycket Au nedfall på en aktiv plats skulle orsaka expansion och dela den aktiva ytan. Tätheten av utsädet på substratet kunde kontrolleras på två sätt: utsäde inkubationstiden och koncentrationen av utsäde lösningen används ruva substratet. Det är värt att nämna att koncentrationerna av varje Au nanopartiklar lösning beskrivs här är inte samma, och skillnaden kan vara i tiopotenser. Därför skulle koncentrationen av utsäde lösningen ibland vara nödvändigt. I den representativa resultat jämföra den 3-5 nm och 15 nm Au nanopartiklar visas den Au nanotråd vuxit från de icke-koncentrerat 40 nm Au nanopartiklarna är mycket längre, och bildar knippen. Däremot, reduceras avsiktligt utsäde tätheten när du förbereder den tjocka nanotrådar med blandade ligander. Detta är att undvika fusion av nanotrådar, som den laterala tillväxten under den tjocka nanotråd tillväxten sker samtidigt med den längsgående töjning. Tät utsäde adsorption skulle leda till fusion av Au frön till en kontinuerlig Au-film i början skede, förhindra ytterligare nanotråd tillväxt.

Substratet adsorption av utsädet är viktigt för att skapa en systematisk asymmetri på Au utsäde ytan. Vi använder den amine-innehöll siloxan för att uppnå fastsättning av Au frön. Normalt är det accepterat att Au frön adsorberas av den elektrostatiska växelverkan mellan amingrupp och nanopartiklar yta22. I vissa fall där utsäde partiklarna är positivt laddade kan rösterna och torr metod också vara anställd. APTES kopplas till rånet och glas chip ytan genom Si-O band efter screening i vatten/etanol lösningen. Teoretiskt, någon yta som kunde kondensera med APTES skulle kunna underlätta tillväxten av Au nanotrådar. I detta arbete visar vi detta med flera oxid ytor. En O2 plasmabehandling är nödvändigt att delvis oxidera substrat yta och implantat gruppen -OH som kunde kondensera med APTES. O2 plasmabehandling väljs på grund av dess rena och enkla drift förfarande; piranha lösning kunde annars också användas för att skapa de -OH-grupperna. En annan viktig punkt för substrat förberedelsen är att ytan koncentrationen av -NH2 även kan ha en betydande inverkan på utsäde adsorption. Även om vi inte kunde direkt karakterisera resultatet av ytbehandling, bör förfarandet för operation göras så exakt som möjligt.

Tvättning av substratet efter varje steg är ibland avgörande, särskilt efter APTES behandling. Gratis APTES molekylen kunde också adsorberas på Au nanopartiklar ytan. Utan en grundlig tvätt, skulle utsäde lösningen sammanställa betydligt under blötläggning processen. Aggregerade frön kan fortfarande adsorberas på substratet och inducera Au nanotråd tillväxten. Men eftersom aggregering skulle kraftigt minska koncentrationen av frön, minskar tätheten av de aktiva platserna också exponentiellt. Som ett resultat, toppen av sista nanotrådar området skulle vara Au nanopartiklar agglomeratbildning och nanotrådar bli skonade buntar i stället för skogen.

Typiska Au nanotråd tillväxten äger rum i ett blandat lösningsmedel av vatten och etanol (v/v = 1:1). Eftersom ligand 4-MBA inte är löslig i etanol, det bör först löst i etanol lösningen, och sedan blandas med resultatet av tillväxten lösningen. Frånsett frågan om löslighet spelar lösningsmedel förhållandet själv också viktig roll beslutar nanotråd tillväxten. Området i den aktiva ytan bestäms av förhållandet ligand adsorption och andelen nedfall av Au. Minska förmågan hos den L-Askorbinsyra varierar i olika lösningsmedel och vid olika pH miljöer23. Lösningsmedel förhållandet vill ändra graden av Au minskning och nedfall omedelbart. Ökande vatten förhållandet för mycket kan leda till snabb minskning av Au och möjliga homogen nukleation, som förhindrar tillväxten av de substrat-bundna Au nanotrådar.

Liknar förhållandet lösningsmedel, koncentrationen av liganderna också direkt påverkar nanotråd bildandet, eftersom det inte bara passiverar Au ytan, men också stabiliserar Au och förhindrar homogen kärnbildning. En överskjutande ligand skulle kraftigt bromsa minskningen Au. Exempelvis skulle öka ligand koncentrationen 5 gånger till 2,5 mM resultera i ingen Au nedfall på substrat21. Minskande ligand koncentrationen kommer att orsaka ökningen i nanotråd diameter och ibland homogen nukleation, den sistnämnda en betecknas med ändringen av lösning från färglös till gråaktig eller rödaktig. Homogen kärnbildning skulle konkurrera med den heterogena Au nanotråd tillväxten för de Au råvara. Beroende på graden av homogen nukleation, kan Au nanotråd tillväxten helt eller delvis stängas av bristen på Au utfodring lager.

Sammanfattningsvis visar vi en ny metod för att förbereda substrat-bundna Au nanotrådar på olika substrat. De Au nanotrådar bildar en matris på platta substrat ytan. Bredd, längd och täthet är lätt trimmad genom att ändra parametrarna reaktion. Nanotrådar ytan kemi kan justeras genom liganderna och förtjockad nanotrådar kan bildas genom att blanda två olika typer av ligander. Dessutom kunde Au nanotrådar-derived komplexa Au nanostrukturer bildas genom att kombinera flera olika odlingsbetingelser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

Vi erkänna tacksamt det finansiella stödet från National Natural Science Foundation Kina (21703104), Jiangsu vetenskap och teknik Plan (SBK2017041514) Nanjing Tech University (39837131) och SICAM stipendium från Jiangsu nationella synergiska Innovation Center för avancerade material.

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 fråga 137 metall nanotråd guld seedade thiolated ligand substrat tillväxt morfologi kontroll
Syntesen av substrat-bundna Au nanotrådar Via en aktiv yta tillväxt mekanism
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