Colloïdaal Synthese van Nanopatch Antennes for Applications in Plasmonics en Nanofotonica

Het algemene doel van deze experimentele procedure is om een techniek te demonstreren voor het vervaardigen van nanopatch-antennes die op maat gemaakte licht-materie-interacties mogelijk maken, zoals sterk versterkte fluorescentie. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen binnen de nanofotonische en plasmonische gemeenschappen, zoals het bereiken van een hoge fluorescentieversterking en de beheersing van andere gerelateerde subprocessen. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het grootschalige fabricage van nanoantennes mogelijk maakt, waarbij de kritieke kenmerkmaat op een schaal van enkele nanometers kan worden beheerst.

Deze procedure wordt gedemonstreerd door Thang Hoang, postdoctoral associate, en Jiani Huang, promovendus uit mijn laboratorium. Begin de syntheseprocedure door een schone rondbodemkolf in het verwarmingsbad te dompelen, ongeveer 10mm diep in de vloeistof. Gebruik vervolgens een micropipet om 10mL ethyleenglycol, of EG, in de rondbodemkolf te plaatsen.

Plaats de dop op de kolf en wacht 20 minuten. Het doel van deze stap is om de kolf te reinigen met EG. Verwijder na 20 minuten de dop en til vervolgens de rondbodemkolf uit het warmtebad. Haal de gehele klem eruit, aangezien de EG-oplossing heet is.

Giet de 10mL EG in een afvalcontainer, waarbij u erop let dat de magnetische roerstaf er niet uitvalt. Plaats de kolf terug in het verwarmingsbad. Gebruik een micropipet om 5mL EG aan de kolf toe te voegen en plaats de dop erop.

Wacht 5 minuten, verwijder vervolgens de dop en voeg met een micropipet 60 µL natriumhydrosulfidehydraat toe aan de kolf. Plaats de dop terug en wacht twee minuten. Verwijder na twee minuten de dop en voeg met een micropipet 500 µL van de zoutzuuroplossing toe aan de kolf.

Gebruik direct een micropipet om 1,25mL van de PVP-oplossing aan de kolf toe te voegen voordat u de dop terugplaatst en twee minuten wacht. Verwijder vervolgens de dop en gebruik een micropipet om 400 microliters van de zilvertrifluoracetaatoplossing in de kolf aan te brengen, en plaats de dop weer terug. Wacht 2,5 uur.

De zilveren nanokubussen vormen zich tijdens deze stap. Beperk gedurende deze tijd het omgevingslicht tot een minimum. Schakel de verwarming na 2,5 uur uit, maar laat het roeren aanstaan om te voorkomen dat de vloeistof op de bodem aanbrandt.

Gebruik de klem om de kolf boven het verwarmingsbad te tillen en verwijder de dop. Neem de kolf vervolgens uit het verwarmingsbad zodat deze sneller kan afkoelen. Voeg na ongeveer 20 minuten 5mL aceton toe aan de kolf.

Vortex de oplossing om deze goed te mengen. Uiteindelijk is het totale volume van de oplossing 12mL. Breng de uiteindelijke oplossing met een micropipet over in acht kleinere plastic buisjes van 1,5mL.

Centrifugeer deze acht buisjes bij een snelheid van 5.150 G gedurende tien minuten. Hierdoor bevinden alle zilveren nanokubussen zich op de bodem van de buisjes. Gebruik een micropipet om het bovenliggende supernatant te verwijderen, waarbij ongeveer 100 µL op de bodem van elk buisje achterblijft.

Voeg vervolgens 1mL gedeïoniseerd water toe aan elk van deze buisjes. Vortex en soniceer de buisjes. De nanokubussen zijn nu gesuspendeerd in hoofdzakelijk gedeïoniseerd water.

Herhaal de centrifugatie-resuspensiestap nogmaals. Zet vervolgens een polyallylaminehydrochloride- of PAH-laag af door de goudfilm gedurende vijf minuten onder te dompelen in een PAH-oplossing. Dit resulteert in een PAH-laag bovenop de goudfilm met een dikte van ongeveer 1 nanometer.

Spoel de goudfilm na vijf minuten af met schoon gedeïoniseerd water. Er bevindt zich nu een enkele PAH-laag op de goudfilm. Dompel de goudfilm met de enkele PAH-laag vervolgens gedurende één minuut onder in een natriumchloride-oplossing.

Dompel vervolgens de goudfilm met de enkele PAH-laag vijf minuten lang onder in een polystyrensulfonaat- of PSS-oplossing. Dit resulteert in een PSS-laag met een dikte van ongeveer 1 nanometer bovenop de PAH-laag. Herhaal dit proces om in totaal vijf polyelektrolytlagen op de goudfilm af te zetten.

Breng 100 µL van een 25 µM cyanine-5 oplossing via drop casting aan op het sampleoppervlak. Plaats vervolgens een schoon dekglas bovenop de vloeistofdruppel. De cyanine-5 moleculen zullen zich uniform in de bovenste polyelektrolytlagen inbouwen.

Spoel het monster na tien minuten af met gedeïoniseerd water en droog het met schoon stikstofgas. Om nanopatch-antennes te vormen, wordt de bereide nanocube-oplossing 100 keer verdund met gedeïoniseerd water, om de optische studie van individuele nanopatch-antennes mogelijk te maken. Gebruik een micropipet om een druppel van 20 µL van de verdunde nanocube-oplossing op een schoon dekglas aan te brengen.

Breng het monster twee minuten lang in contact met het dekglas. Hierdoor worden de zilveren nanokubussen geïmmobiliseerd op de bovenste PAH-terminallaag, aangezien de hier gesynthetiseerde nanokubussen negatief geladen zijn en de bovenste PAH-laag positief geladen is. Spoel het monster na twee minuten af met gedeïoniseerd water en droog het met schoon stikstofgas.

Hier worden representatieve scanning-elektronenmicroscopiebeelden getoond van de zilveren nanokubussen verkregen via deze procedure. Hier is het monster vervaardigd met een onverdunde oplossing van nanokubussen, terwijl het monster in deze beelden tien en honderd keer is verdund.

In alle gevallen worden nanocubes van een relatief uniforme grootte waargenomen, gekenmerkt door scherpe hoeken met een krommingsstraal van ongeveer 10 nanometers. Hier worden representatieve optische karakteriseringen getoond van de uiteindelijke nanopatch-antennes met ingebedde cyanine-5 kleurstofmoleculen. Reflectiemetingen van een ensemble van nanopatch-antennes tonen een karakteristieke plasmonresonantie bij 650 nanometers.

Verstrooiingsmetingen van individuele nano-antennes vertonen een resonantie bij dezelfde golflengte, maar met een smallere breedte. Dark-field beelden van het monster tonen diffractie-gelimiteerde spots met een uniforme rode kleur, wat aangeeft dat de meeste nanopatch-antennes zeer vergelijkbare resonanties hebben vanwege de goede homogeniteit in grootte van de gefabriceerde nanokubussen. Ten slotte wordt een grote fluorescentieversterking van de ingebedde cyanine-5 kleurstofmoleculen waargenomen.

Zodra deze fabricagetechniek onder de knie is, kan deze in vijf uur worden voltooid mits deze correct wordt uitgevoerd. Na de ontwikkeling van deze techniek werd de weg vrijgemaakt voor onderzoekers in de velden van nanofotonica en plasmonica om de fundamentele toegepaste metaalinteractie en potentiële toepassingen in opto-elektronische apparaten op basis van oppervlakken te verkennen, waaronder lichtemitterende diodes, hoogefficiënte fotoreflectoren en quantum-informatiewetenschap. Na het bekijken van deze video zou u een goed begrip moeten hebben van hoe nanopatch-antennes gefabriceerd kunnen worden met behulp van colloïdaal gesynthetiseerde zilvernanokubussen om verbeterde licht-materie-interacties mogelijk te maken.