Коллоидный Синтез Nanopatch Антенны для применения в плазмоники и нанофотоники

Общая цель данной экспериментальной процедуры — продемонстрировать метод изготовления антенн с нанозаплатками (nanopatch antennas), которые позволяют осуществлять направленное взаимодействие света с веществом, например, сильное усиление флуоресценции. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы нанофотонного и плазмонного сообществ, такие как способы достижения высокого усиления флуоресценции и контроля других связанных с этим подпроцессов. Основным преимуществом данной методики является возможность крупномасштабного изготовления наноантенн, при котором критический размер элементов может контролироваться с точностью до одного нанометра.

Эту процедуру продемонстрируют Тханг Хоанг, постдок, и Цзяни Хуанг, аспирант моей лаборатории. Начните процедуру синтеза, погрузив очищенную круглодонную колбу в нагревательную баню примерно на 10mm в жидкость. Затем с помощью микропипетки внесите в круглодонную колбу 10mL этиленгликоля (EG).

Закройте колбу крышкой и подождите 20 минут. Целью данного этапа является очистка колбы с помощью EG. Через 20 минут снимите крышку, затем извлеките круглодонную колбу из нагревательной бани. Вынимайте зажим целиком, так как раствор EG горячий.

Слейте 10 мл EG в контейнер для утилизации, следя за тем, чтобы магнитный перемешиватель не выпал. Верните колбу в нагревательную баню. С помощью микропипетки добавьте в колбу 5 мл EG и закройте ее крышкой.

Подождите 5 минут, снимите крышку и с помощью микропипетки добавьте в колбу 60 µL гидрата гидросульфида натрия. Снова закройте колбу крышкой и подождите две минуты. Через две минуты снимите крышку и с помощью микропипетки добавьте в колбу 500 µL раствора соляной кислоты.

Сразу же с помощью микропипетки добавьте 1,25 mL раствора PVP в колбу, после чего снова закройте ее крышкой и подождите две минуты. Сняв крышку, с помощью микропипетки внесите в колбу 400 µL раствора трифторацетата серебра и снова закройте ее крышкой. Подождите 2,5 часа.

На этом этапе происходит формирование серебряных нанокубов. В течение этого времени максимально приглушите комнатный свет. Через 2,5 часа выключите нагреватель, но оставьте перемешивание, чтобы жидкость не пригорела к дну.

С помощью зажима поднимите колбу над нагревательной баней и снимите крышку. Затем извлеките колбу из нагревательной бани, чтобы она быстрее остыла. Примерно через 20 минут добавьте в колбу 5mL ацетона.

Перемешайте растворы на вортексе до полной гомогенизации. В итоге общий объем раствора составит 12mL. С помощью микропипетки перенесите итоговый раствор в восемь пластиковых пробирок объемом 1.5mL.

Центрифугируйте эти восемь пробирок при ускорении 5 150 G в течение десяти минут. В результате все серебряные нанокубы окажутся на дне пробирок. С помощью микропипетки удалите верхний супернатант, оставив примерно 100 µL на дне каждой пробирки.

Затем добавьте в каждую из этих пробирок по 1mL деионизированной воды. Перемешайте содержимое на вортексе и обработайте пробирки ультразвуком. Теперь нанокубы находятся в суспензии преимущественно в деионизированной воде.

Повторите этап центрифугирования и ресуспендирования еще раз. Затем нанесите слой гидрохлорида полиаллилиламина (PAH), погрузив золотую пленку в раствор PAH на пять минут. В результате на поверхности золотой пленки образуется слой PAH толщиной приблизительно 1 нанометр.

Через пять минут промойте золотую пленку чистой деионизированной водой. Теперь на поверхности золотой пленки находится один слой PAH. Затем погрузите золотую пленку с одним слоем PAH в раствор хлорида натрия на одну минуту.

Затем погрузите золотую пленку с одним слоем ПАГ в раствор полистиролсульфоната (ПСС) на пять минут. В результате этого на слой ПАГ наносится слой ПСС толщиной примерно 1 нанометр. Повторяйте этот процесс до осаждения в общей сложности пяти полиэлектролитных слоев на золотую пленку.

Нанесите методом капельного нанесения 100 µL раствора Cyanine-5 с концентрацией 25 µM на поверхность образца. Затем поместите чистую покровное стекло поверх капли раствора. Молекулы Cyanine-5 равномерно распределятся в верхних полиэлектролитных слоях.

Через десять минут промойте образец деионизированной водой и высушите с помощью чистого азота. Для формирования нанопатч-антенн разбавьте приготовленный раствор нанокубов в 100 раз деионизированной водой, чтобы обеспечить возможность оптического исследования отдельных нанопатч-антенн. С помощью микропипетки нанесите каплю разбавленного раствора нанокубов объемом 20 µL на чистую покровное стекло.

Прижмите образец к покровному стеклу на две минуты. В результате нанокубы серебра иммобилизируются на верхнем терминальном слое ПАГ, так как синтезированные здесь нанокубы заряжены отрицательно, а верхний слой ПАГ заряжен положительно. Через две минуты промойте образец деионизированной водой и высушите его струей чистого азота.

Здесь представлены репрезентативные снимки, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии, образцов нанокубов серебра, синтезированных по данной методике. На первом снимке образец был подготовлен с использованием неразбавленного раствора нанокубов. На остальных изображениях образец был разбавлен в десять и сто раз соответственно.

Во всех случаях наблюдаются нанокубы относительно однородного размера, характеризующиеся острыми углами с радиусом кривизны около 10 нанометров. Здесь представлены репрезентативные данные оптической характеризации конечных антенн в виде нанопластырей с внедренными молекулами красителя Cyanine-5. Измерения отражения ансамбля нанопластырных антенн демонстрируют характерный плазмонный резонанс на 650 нанометрах.

Измерения рассеяния отдельных наноантенн демонстрируют резонанс на той же длине волны, но с более узкой шириной. Изображения образца, полученные в темном поле, показывают дифракционно-ограниченные пятна однородного красного цвета, что указывает на то, что большинство нанопластинчатых антенн имеют очень схожие резонансы благодаря хорошей однородности размеров изготовленных нанокубов. Наконец, наблюдается значительное усиление флуоресценции встроенных молекул красителя cyanine-5.

При правильном выполнении эта техника изготовления, после ее освоения, может быть завершена за пять часов. После своей разработки данный метод открыл исследователям в области нанофотоники и плазмоники путь к изучению фундаментального взаимодействия металлов и потенциальных применений в оптоэлектронных устройствах с модифицированной поверхностью, включая светоизлучающие диоды, высокоэффективные фоторефлекторы и квантовую информатику. После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как изготовить антенны на основе нанопластин, используя коллоидно синтезированные серебряные нанокубы для обеспечения усиленного взаимодействия света с веществом.