三维电浆制备描述

组装纳米粒子成定义良好的结构是一个重要的方法来创建和定制材料的光学性质。这些光学特性的亚波长金属结构源于他们支持表面电浆子的能力,振荡的离域电子与电磁场在金属几。

介绍

这些结构的一个普遍特点是精致的结构几何和光学特性之间的相关性,这提供了新方法的控制和操纵光,特别是在可见光和近红外区域的光谱。[1],[2]这使得工程师电和磁响应成为可能在这个波长范围,使建设与在这些波长的负折射率材料,[3],[4]和一系列人工媒体操纵光的方式击败天然材料。[5],[6],[7]

迄今为止最先进的超材料的研究都是基于结构的二维平面几何图形。虽然三维纳米组装已经报道,[8],[9],[10],[11],[12]集群的稳定性和鲁棒性是有限的,与解体或变形明显,如果从解决方案中删除或衬底形成或通过接触其他溶剂或解决方案。[9],[13],[14]老化的影响,如收缩的DNA,也可能导致激进的形态学变化。

在这部作品中,水稻团队显示了一个有效的体制造方法高度固定,稳定3 d电浆制备贵金属的封装在一个小的聚合物球,稳定几何和保护他们免受各种溶剂和解决方案。这些集群的结构完整性允许考试的个人3 d集群的光学性质与纳米颗粒数,几何,集群的取向。一些集群,如四面体和二十面体,可以作为光学metafluids内核,传授超材料光学性质等无序液体,眼镜,或塑料,免费从纳米结构取向的要求。

制作3 d发光机制

获得小集群密切包装纳米粒子是相当具有挑战性;组成纳米粒子需要移动足以达到最小能量状态,但足够稳定,防止分裂和聚合在隔离和后续研究。

水稻团队孵化citrate-stabilised 15纳米金纳米粒子与thiol-terminated聚苯乙烯(PS115-SH)和PS17-b-PAA83 DMF。的膨胀聚苯乙烯长链允许集群中的纳米颗粒来最大化他们的包装。聚合诱导了加水去除DMF和集群直接被离心分离之前描述通过透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)。

制造过程导致各种高度常规三维簇主要包含3 - 25纳米粒子,粒子间距的名义上10纳米。在小型集群的三到六粒子,结构形成的三角形、四面体,三方晶系的双锥体,和八面体。7 - 20大集群的粒子,本质上走的是二十面体结构增长计划,与结构组装的途中,或增长到一个二十面体集群。有趣的是,二十面体(N = 13)的收益率和double-icosahedral集群(N = 19)的收益率明显大于甚至略有不同大小的集群和直接让人想起“幻数”原子簇。

描述的制备

暗场散射光谱的特定个人单体、二聚体、三聚,四面体的发光机制。ITO-coated浮法玻璃基板与黄金/钛仪网格图案组成的100 x 100μm广场反复定位单个纳米粒子在暗视野和扫描电子显微镜。单个集群的稀释,使成像后,1.5μL的解决方案是在每个样本drop-cast和允许干燥。基板被照亮的石英卤素在油浸铝反射器和成像,透射暗视野显微镜40 x 0.6 na客观(奥林巴斯公司)。光谱分析是高光谱提供的系统,包括一个衍射光栅分光光度计与自动样品阶段(CytoViva技术),照明,深耗尽CCD (iKon-M DU934PBR - DD和或技术)。相机冷却是维持在-80ºC和251图像片都以每秒4片,与纳米光谱通过专门编写的软件自动生成Igor Pro (WaveMetrics)。

结果与讨论

暗场散射光谱为每个单独的纳米(图1 A, b)记录并与有限元法的计算理论散射谱(图1 d)。每个纳米也是成像通过扫描电子显微镜(图1 c)。

在这些小三维簇中,出现了三个主要特征。

1. 二聚物和三聚物的三维空间定位集群主导和戏剧性的影响各自的光谱的形状。
2. 与二聚体和三聚,四面体集群似乎显著各向同性光学性质。
3. 单体的局部表面等离子体共振是强烈的红移和扩大相对于米氏理论polymer-encapsulated单体的等效尺寸,几何和取向。这是一个重要的观察,因为定量了解单体共振对我们的分析是至关重要的光学响应明显更复杂的多粒子集群。

图1:光学性质的小(N≤4)发光机制。(a)暗视野散射制备的高光谱图像进行超过100×100μm广场,(b)小(N≤4)银制备暗场散射光谱。相应的扫描电镜图像c所示。(d)有限元法计算个人的散射光谱发光(e)偏振相关散射光谱的二聚体(f)偏振相关散射光谱的四面体。酒吧规模相当于50 nm。

有限元法(FEM)计算使用SEM图像的几何参数调整后的形状、大小、基质和对称占实验观察。观察到的光谱红移的单体被证明是符合周围的一层薄的氧化银纳米颗粒。然而,存在一个Ag)氧化壳只占20%的实验观察到扩大单体等离子体共振。扩大一个额外的贡献是银离子和杂质的扩散到周围PS-PAA集群形成过程中聚合物。事实上,亲密的协议与实验散射光谱的单体造成PS-PAA聚合物时描述为一个与n ~ = n + iκ损耗介质,其中n = 1.6和κ范围0.04 - -0.38。使用这种观察作为起点,团队获得优秀的协议集群的计算和测量散射光谱如图1所示的罪犯。

集群,支持在衬底光学描述的目的,保留一个随机,3 d、出平面取向由于聚合物胶囊。这个三维取向产生深刻的变化在观察到的光学特性和散射光谱显示显著的二聚物和三聚物的集群,集群的任何改变在取向对入射光偏振显示大型光谱变化和额外的外观模式的具体方向。广泛angle-dependent计算,合并轻微的不对称由于集群中的纳米粒子的位置和形状,需要获得这种程度的定量协议,即使是最简单的集群的几何图形。二聚体的偏振依赖性和四面体集群更详细地检查了一个线性偏振器插入的排放路径显微镜和收购polarisation-dependent散射光谱。

高度orientation-dependent散射光谱的二聚体,由横向和纵向等离子体模式的线性组合,可以清楚地观察到面向随机的情况(图1 e)。相比之下,四面体的散射光谱几乎是各向同性的(图1)。这个观察到的各向同性提供了直接证据,电浆四面体确实表现得像一个各向同性“metamolecule”:这样的集群可以分散在液体中metafluid和结果。

图2:光学性质的二十面体集群。(一)SEM图像(左)和3 d模型(右)的二十面体(13 NPs)。酒吧规模相当于100海里。(b)偏振相关二十面体的散射光谱。(c)实验散射光谱的有限元计算。(d)电荷情节模式识别的二十面体的散射光谱。

正如前面提到的,确定大束的结构是相当具有挑战性。然而,提取几何信息可以通过比较他们的光学特性测量的光学性质计算模型制备。为了说明这可能的方法中,水稻团队选择了一个似乎是一个二十面体的纳米扫描电镜图像,另一个与各向同性纳米光学特性(图2)。实际上,这个复杂得多的polarizationdependent散射光谱集群不同只有弱极化角(图2 b)是在良好的协议与理论模拟一个完美的二十面体(图2)。

五个主要局部表面等离子体模式导致二十面体的光谱计算,可以看出负责阴谋计算为每个模式(图2 d)。两个主要的山峰与磁等离子体模式在765 nm和黑暗的等离子体模式在715海里。其他三个模式,位于495至625海里,高阶模式,可以看到从计算电荷分布(图2 d)。所有这些模式显示在实验光谱在大约相同的位置计算。观察到的变化之间的相对峰值强度实验和模拟可以解释为装配式结构的微小结构缺陷,主要组成的纳米颗粒的形状的变化。团队从这直接比较的结论是,这种纳米是一个二十面体。

结论

这些纳米簇开放访问小说的光学活性的材料。精确的纳米颗粒的排列方式,而不是它们的构成,决定了光学特征通过一个名为局部表面等离子体共振的影响。具有高度的集群orientation-independent光学特性,如四面体和二十面体,可以使polarization-independent和无方向性的负折射率介质像液体一样,自由的固体和各向同性的电影。

制造方法的普遍性可以延长使用电浆制备其他地区的光谱,通过将不同的材料,例如,铝紫外线;或球形核/壳纳米粒子,例如,nanoshells IR。他们也容易兼容应用材料涂层的方法,如气溶胶,并可能导致材料透明窗口的特定频率和在恒定的比率和线宽。他们也可能使电磁特性没有实现在当前类型的超材料以及当前的技术挑战的新方法,如高通量化学和生物传感。

超材料工程提供了令人兴奋的未来前景photononics应用程序,如“super-lenses”的制造,可以克服衍射极限与传统的镜头。bob综合app官网登录

的结构稳定性nano-bricks这些超材料的基础是至关重要的,以确保一致的和可靠的,特定的光学特性。例如,知道理想的光学响应四面体应该几乎独立于集群的取向是没什么用的,如果3 d电浆纳米是不稳定的。封装三维纳米束在一个小聚合物球稳定他们的几何形状,使其耐各种溶剂和解决方案,并为小说各向同性材料的发展铺平了道路,如metafluids。

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