चांदी nanocubes और उप 10 एनएम अंतराल के साथ plasmonic nanoscale पैच एंटेना के निर्माण के कोलाइडयन संश्लेषण के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत किया है।
हम एक चिकनी सोने की फिल्म के साथ संयोजन में इन के उपयोग चांदी nanocubes की कोलाइडयन संश्लेषण और के लिए एक तरीका मौजूद है, plasmonic nanoscale पैच एंटेना बनाना। यह परत दर परत polyelectrolyte पॉलिमर, के बयान अर्थात् पाली (allylamine) हाइड्रोक्लोराइड (PAH) और polystyrene sulfonate (पीएसएस) का उपयोग स्थूल क्षेत्रों पर एक अच्छी तरह से नियंत्रित मोटाई के साथ पतली फिल्मों के निर्माण के लिए एक विस्तृत प्रक्रिया भी शामिल है। ये polyelectrolyte स्पेसर परतों चांदी nanocubes और एक सोने की फिल्म के बीच में एक अचालक अंतर के रूप में सेवा करते हैं। nanocubes या खाई मोटाई के आकार को नियंत्रित करके, plasmon अनुनाद 700 एनएम के लिए लगभग 500 समुद्री मील दूर से देखते जा सकता है। अगला, हम कैसे nanopatch एंटेना की अचालक बहुलक अंतराल के क्षेत्र में जैविक sulfo-cyanine5 कार्बोक्जिलिक एसिड (Cy5) डाई अणु को शामिल करने के लिए प्रदर्शित करता है। अंत में, हम बहुत प्रेतसंबंधी उत्तेजना ऊर्जा और टी के साथ plasmon अनुनाद मेल द्वारा Cy5 रंगों के प्रतिदीप्ति बढ़ाकर दिखानेवह अवशोषण शिखर Cy5। यहाँ प्रस्तुत विधि कोलाइडयन संश्लेषण और कम लागत और बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए क्षमता के साथ एक परत दर परत डुबकी कोटिंग प्रक्रिया का उपयोग अच्छी तरह से नियंत्रित आयामों के साथ plasmonic nanopatch एंटेना के निर्माण के लिए सक्षम बनाता है। ये nanopatch एंटेना संवेदन, ultrafast optoelectronic उपकरणों में और उच्च दक्षता photodetectors के लिए उदाहरण के लिए, व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए महान वादा पकड़।
हाल के वर्षों में, नैनोकणों के कोलाइडयन संश्लेषण और उन्नत संरचनाओं में इनमें से विधानसभा दोनों अनुसंधान और औद्योगिक विकास में महान हितों को आकर्षित किया है। 1-4 नैनोकणों के कोलाइडयन संश्लेषण बेहतर आकार एकरूपता, कम लागत और सहित पत्थर के छापे से छापने से गढ़े nanostructures पर कई फायदे हैं बड़े पैमाने पर, समानांतर उत्पादन की संभावना है।
इस तरह चांदी (एजी) और सोने (एयू) स्थानीय सतह plasmon polaritons का समर्थन है और एक मात्रा विवर्तन सीमा से बहुत छोटे में प्रकाश सीमित करने की क्षमता हो सकती है के रूप में धातु नैनोकणों। 1,3-5 जिसके परिणामस्वरूप उच्च तीव्रता क्षेत्र एक स्थानीय बढ़ाया बनाता है प्रकाश मामले पर बातचीत को सक्षम करने राज्यों के घनत्व nanoscale पर अनुरूप किया जा सके। हाल के प्रयासों प्रक्रियाओं आकारों और आकार, त्रिकोण, 4,6 पिंजरों, 3,4 और छड़ सहित, की एक विस्तृत श्रृंखला में एजी और Au नैनोकणों के संश्लेषण के लिए प्रदर्शन किया हैNanocubes यहाँ पर चर्चा के अलावा 4,7,8। कई एजी या Au nanocomponents से बना nanostructures भी प्रदर्शन अनुरूप गुण निर्मित किया गया है। 1,9-11
यहाँ, हम आदेश plasmonic nanopatch एंटेना के लिए फार्म में एक अंतर्निहित Au फिल्म के साथ इन एजी nanocubes एजी nanocubes के संश्लेषण के लिए और अधिक महत्वपूर्ण बात, कुछ करने के लिए एक प्रक्रिया का प्रदर्शन। एजी nanocubes और Au फिल्म के बीच की दूरी polyelectrolyte स्पेसर परतों की एक श्रृंखला का उपयोग करके ~ 1 एनएम संकल्प के साथ नियंत्रित किया जा सकता है। हम यह भी कैसे, इस तरह के एक कार्बनिक डाई के रूप में एक सक्रिय मध्यम शामिल करने के लिए, plasmonic nanopatch एंटेना में प्रदर्शित करता है। Nanocubes और Au फिल्म के बीच की खाई को इस क्षेत्र में जोरदार सीमित विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के कारण, nanopatch एंटेना अत्यधिक बढ़ाया प्रतिदीप्ति और एम्बेडेड डाई अणु की सहज उत्सर्जन के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। 12,13 इस पत्र में प्रस्तुत तरीकों सामान्यीकरण नहीं किया जा सकता है अन्य emitters करने के लिए, सफलताकोलाइडयन ठोस राज्य क्वांटम डॉट्स 14 या दो आयामी अर्धचालक सामग्री, 15 और plasmon अनुनाद के रूप में ज nanocubes या अंतराल के आकार अलग से एक विस्तृत वर्णक्रमीय रेंज पर देखते जा सकता है।
रजत nanocubes रासायनिक प्रतिक्रिया की स्थिति पहले से सूचना दी syntheses के लिए इसी तरह का उपयोग कर संश्लेषित कर रहे थे। 2,12,17-20 इस संश्लेषण की ओर से 50 से 100 एनएम को लेकर लंबाई के साथ nanocubes के निर्माण के लिए सक्षम बनाता है। उदाहरण के लिए, 2.5 घंटा की एक ठेठ हीटिंग समय ~ 75 एनएम के पक्ष लंबाई के साथ nanocubes में परिणाम होगा। एक लंबे समय तक संश्लेषण समय (> 3 घंटा) बड़ा नैनोकणों को बढ़ावा मिलेगा, तथापि, यह भी इस तरह के छोटा nanocubes या octahedrons के रूप में अलग अलग आकार में हो सकता है। अंतिम समाधान centrifuged था और विआयनीकृत पानी में फिर से निलंबित, और plasmon अनुनाद के बिखरने स्पेक्ट्रा में कोई उल्लेखनीय परिवर्तन के बिना 4 डिग्री सेल्सियस पर एक फ्रिज में कम से कम एक महीने के लिए भंडारित किया जा सकता है। 12
आकार और ऊपर प्रोटोकॉल में प्रस्तुत की प्रक्रिया से एजी nanocubes के आकार RBF, अपनी टोपी और सरगर्मी बार की सफाई के साथ ही ईजी समाधान की गुणवत्ता के लिए बहुत संवेदनशील होते हैं। Nanopartiइस तरह के गोल या लम्बी नैनोकणों के रूप में विभिन्न आकार के साथ cles एक संकेत है वहाँ की संभावना संश्लेषण में इन कदमों में से एक के साथ एक मुद्दा है। इसलिए यह सलाह दी जाती है कि कदम 1.1.1-1.1.4 और 1.2.1-1.2.2 गंभीर रूप से महत्वपूर्ण हैं।
एक भी nanopatch एंटीना से एकत्र बिखरने स्पेक्ट्रम 4 बी चित्र में दिखाया गया है जो 650 एनएम पर एक मजबूत plasmon अनुनाद दर्शाती है। इस तरह की एक गूंज एजी nanocube और Au फिल्म के लिए उच्च गुणवत्ता nanocubes द्वारा ही संभव बनाया बीच की खाई को क्षेत्र में एक उत्कृष्ट मोड कारावास इंगित करता है। इसके अतिरिक्त, इस तरह के एक स्पेक्ट्रम प्राप्त करने के लिए, यह भी आवश्यक है कि नमूना साफ है, स्पेसर परतों (पीई परतों) एक समान मोटाई है और कहा कि अंतर्निहित Au फिल्म चिकनी है। मजबूत plasmon अनुनाद आगे चित्रा 4C में प्रस्तुत डाटा जहां व्यक्तिगत nanopatch एंटेना अंधेरे क्षेत्र छवि में और चित्रा 4 डी में देखा जा सकता द्वारा पुष्टि की है जहां बड़े प्रतिदीप्तिवृद्धि Cy5 अंतराल के क्षेत्र में स्थित अणुओं के लिए मनाया जाता है। यह भी ध्यान दिया जाना चाहिए कि एजी nanocubes पीवीपी कोटिंग के बावजूद समय के साथ oxidize जब हवा के संपर्क में है और इस प्रकार यह सिफारिश की है कि ऑप्टिकल माप दिन नमूना तैयार किया जाता है पर या 1 से 3 दिनों के भीतर किया जाना चाहिए। ऑक्सीकरण को कम करने के लिए, यह सिफारिश की है कि nanopatch एंटीना नमूने निर्वात या नाइट्रोजन गैस में संग्रहित किया।
इस पत्र में प्रस्तुत विधि कोलाइडयन संश्लेषण और एक परत दर परत डुबकी कोटिंग प्रक्रिया का उपयोग अच्छी तरह से नियंत्रित आयामों के साथ एजी nanocubes और plasmonic nanopatch एंटेना के निर्माण के लिए सक्षम बनाता है। जबकि नैनोकणों के एक संकीर्ण आकार के वितरण के उत्पादन जैसे ऑप्टिकल या इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी के रूप में अन्य तकनीकों के साथ तुलना में, यहाँ प्रस्तुत तकनीक कम लागत और बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए क्षमता प्रदान करता है।
plasmonic nanopatch इस अखबार में प्रस्तुत एंटेना के लिए भी महान वादा पकड़डिजाइन द्वारा नए nanomaterials अद्वितीय गुण है जो उनके macroscopic समकक्षों में मौजूद नहीं हो सकता का प्रदर्शन। विशेष रूप से, इन nanoantennas रिकॉर्ड उच्च एम्बेडेड डाई 30,000 से अधिक अणुओं के प्रतिदीप्ति वृद्धि से पता चला है, 1000 के 12 सहज उत्सर्जन की दर संवर्द्धन; ultrafast सहज उत्सर्जन और उच्च क्वांटम उपज। 13,14 इसके अतिरिक्त, यह दिखाया गया है कि इन nanopatch एंटेना प्रदर्शनी उच्च दिशात्मक उत्सर्जन जो जहां एक बाहरी डिटेक्टर या एकल मोड फाइबर के लिए युग्मन की आवश्यकता होती है अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है करने के लिए मिलकर उत्सर्जक। Nanoscale पैच एंटेना के भविष्य अनुप्रयोगों उच्च दक्षता और फोटोवोल्टिक photodetectors उपकरणों, संवेदन और क्वांटम सूचना प्रोसेसिंग प्रौद्योगिकियों के लिए, इस तरह के डायोड प्रकाश उत्सर्जक के रूप में ultrafast optoelectronic उपकरणों, से लेकर कर सकते हैं। 12-14
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by the Air Force Office of Scientific Research Young Investigator Research Program (AFOSR, Grant. No. FA9550-15-1-0301).
Reagents | |||
Ethylene glycol | J.T. Baker | 9300 | Must be anhydrous |
Sodium hydrosulfide hydrate | Sigma Aldrich | 161527 | |
Poly vinylpyrrolidone | Sigma Aldrich | 856568 | |
Hydrochroric acid BDH ARISTAR PLUS | VWR International | 7647-01-0 | |
Silver trifluoroacetate | Sigma Aldrich | 482307 | Store in dark place |
Acetone | Sigma Aldrich | 48358 | |
Nitric acid | Sigma Aldrich | 7697-37-2 | concentrated (70%), for cleaning |
Poly(allylamine) hydrochloride (PAH) | Sigma-Aldrich | 283215 | |
Polystyrene sulfonate (PSS) | Sigma-Aldrich | 561223 | |
Sodium Chloride | Macron Inc. | 7647 | |
Sulfo-Cyanine5 carboxylic acid (Cy5) | Lumiprobe | 13390 | Fluorescent dye (molecular weight: 664.76 g/mol) |
Equipments | |||
Stirring hotplate with temperature control | VWR International | 89000-338 | |
Vortex mixers | VWR International | 10153-834 | |
Microcentrifuge | Thermoscientific | Model 59A | |
Silicone fluid | Sigma-Aldrich | 63148-62-9 | |
Micro-scale | Mettler Toledo | Model ML 104/03 | |
Electron-beam metal evaporator | CHA Industries | E-beam evaporator | Located inside a clean room |
Pre-cleaned glass slides | Schott North America, Inc. | Nexterion Glass B | Clean room pre-cleaned |
25-mL 24/40 round-bottle flask | VWR International | 60002-290 | |
Magnetic stirring bar | VWR International | 58948-116 | |
Micropipettes (1-10mL, 10–100 mL and 100–1000 mL) | VWR International | ||
Ultrasonic cleaning bath | Branson Ultrasonic | Model 1510R-DTH | |
Stopwatch | VWR International | ||
Eppendorf centrifugation tubes (1.5 mL) | VWR International | 22364111 | |
Poly(propylene) coning tubes (50 mL) | VWR International | ||
Home built bright/darkfield microscope | 75 W Xenon white light source, Nikon BF/DF 50x ELWD 0.55 NA, 8.2 mm WD objective, Nikon D90 digital camera, Acton 2300i spectrometer, Photometrics CoolSnap HQ charge coupled device (CCD) camera |
||
He Ne laser (633 nm), 5 mW | New Port Co. | R-30990 | |
Reflectance standard | Lab Sphere | Model SRS-99-010 | |
Laser long pass filter 633 nm | Semrock | LP02-633RU-25 |