Наностержень
Золотые наностержни под электронным микроскопом

В нанотехнологии наностержни являются одной из морфологий наномасштабных объектов. Каждый из их размеров находится в диапазоне от 1 до 100 нм . Они могут быть синтезированы из металлов или полупроводниковых материалов. [1] Стандартные соотношения сторон (длина , деленная на ширину) составляют 3-5. Наностержни производятся путем прямого химического синтеза . Комбинация лигандов действует как агенты контроля формы и связывается с различными гранями наностержня с различной прочностью. Это позволяет различным граням наностержня расти с разной скоростью, производя удлиненный объект.

Одно из потенциальных применений наностержней — технологии отображения, поскольку отражательную способность стержней можно изменить, изменив их ориентацию с помощью приложенного электрического поля. Другое применение — микроэлектромеханические системы (МЭМС). Наностержни, наряду с другими наночастицами благородных металлов, также выполняют функции терагностических агентов. Наностержни поглощают в ближнем ИК-диапазоне и генерируют тепло при возбуждении ИК-светом. Это свойство привело к использованию наностержней в качестве терапевтических средств для лечения рака. Наностержни можно конъюгировать с мотивами, нацеленными на опухоль, и принимать внутрь. Когда пациент подвергается воздействию ИК-света (который проходит через ткани тела), наностержни, избирательно поглощаемые опухолевыми клетками, локально нагреваются, разрушая только раковую ткань, оставляя здоровые клетки нетронутыми.

Наностержни на основе полупроводниковых материалов также были исследованы для применения в качестве устройств сбора энергии и светоизлучающих устройств. В 2006 году Раманатан и др. продемонстрировали 1 опосредованную электрическим полем настраиваемую фотолюминесценцию из наностержней ZnO, с потенциалом для применения в качестве новых источников ближнего ультрафиолетового излучения.

Синтез

Датчик этанолового газа на основе наностержней ZnO [2]

Наностержни ZnO

Наностержень оксида цинка (ZnO), также известный как нанопроволока , имеет прямую запрещенную зону 3,37 эВ , что аналогично GaN , и имеет энергию связи возбуждения 60 мэВ. Оптическую запрещенную зону наностержня ZnO можно настраивать, изменяя морфологию , состав, размер и т. д. В последние годы [ когда? ] наностержни ZnO интенсивно использовались для изготовления наноэлектронных устройств, включая полевые транзисторы , ультрафиолетовые фотодетекторы , диоды Шоттки и сверхъяркие светодиоды (LED). Были разработаны различные методы изготовления монокристаллических вюрцитных наностержней ZnO. Среди этих методов наиболее развитым подходом является выращивание из паровой фазы. В типичном процессе роста пары ZnO конденсируются на твердой подложке. Пары ZnO могут быть получены тремя способами: термическим испарением, химическим восстановлением и методом пар-жидкость-твердое тело (VLS). В методе термического испарения коммерческий порошок ZnO смешивается с SnO 2 и испаряется путем нагревания смеси при повышенной температуре. В методе химического восстановления пары цинка, образующиеся при восстановлении ZnO, переносятся в зону роста, после чего происходит повторное окисление до ZnO. Процесс VLS, первоначально предложенный в 1964 году, является наиболее часто используемым процессом для синтеза монокристаллических наностержней ZnO. В типичном процессе каталитические капли осаждаются на подложке, а газовые смеси, включая пары Zn и смесь CO/CO 2 , реагируют на границе раздела катализатор-подложка с последующим зародышеобразованием и ростом. Типичные металлические катализаторы включают золото , медь , никель и олово . Нанопроволоки ZnO выращиваются эпитаксиально на подложке и собираются в монослойные массивы. Недавно также был разработан метод химического осаждения из паровой фазы металлорганических соединений ( MOCVD ). В этом процессе не задействован катализатор, а температура роста составляет 400 ~ 500 °C, т.е. значительно более мягкие условия по сравнению с традиционным методом роста из паровой фазы. [3] Более того, наностержни оксидов металлов (ZnO, CuO, Fe 2 O 3 , V 2 O 5 и другие) можно просто изготовить, нагревая исходный металл на воздухе в процессе термического окисления . [4]Например, для создания плотного «ковра» из наностержней CuO оказалось достаточно нагреть фольгу Cu на воздухе до 420 °C. Помимо этих схем производства, наностержни и трубки ZnO можно изготавливать путем комбинации глубокой УФ-литографии, сухого травления и атомно-слоевого осаждения (ALD). [5]

Наностержни InGaN/GaN

Светодиоды на основе массива наностержней InGaN / GaN могут быть изготовлены с помощью сухого травления или травления сфокусированным ионным пучком. [6] Такие светодиоды излучают поляризованный синий или зеленый свет . [7] Трехмерные структуры наностержней имеют большую излучающую поверхность, что обеспечивает лучшую эффективность и светоизлучение по сравнению с плоскими светодиодами. [8] Samsung исследует дисплеи на основе квантовых точек и наностержней (QNED), напечатанные чернилами, причем светодиоды на основе наностержней InGaN заменяют органический слой OLED в дисплеях QD-OLED . [9]

Золотые наностержни

Метод роста с использованием затравки является наиболее распространенным и достигнутым методом синтеза высококачественных золотых наностержней. [10] Типичный протокол роста включает добавление золотых наносфер, покрытых цетилтриметиламмонийбромидом (CTAB) или цитратом, которые служат затравками, в основной раствор для роста HAuCl 4. Раствор для роста получают путем восстановления HAuCl 4 аскорбиновой кислотой в присутствии поверхностно-активного вещества цетилтриметиламмонийбромида (CTAB) и ионов серебра. Более длинные наностержни (до соотношения сторон 25) можно получить в отсутствие нитрата серебра с помощью трехэтапной процедуры добавления. В этом протоколе затравки последовательно добавляются в раствор для роста, чтобы контролировать скорость гетерогенного осаждения и, следовательно, скорость роста кристаллов.

Недостатком этого метода является образование золотых наносфер, что требует нетривиальных разделений и очисток. В одной из модификаций этого метода цитрат натрия заменяется на более сильный стабилизатор CTAB в процедурах зародышеобразования и роста. Повышение pH является еще одним способом достижения высокого соотношения сторон (> 25:1) наностержней с высоким выходом (> 90%) за счет повышенной полидисперсности. [11] Еще одним усовершенствованием является введение ионов серебра в раствор для роста, что приводит к получению наностержней с соотношением сторон менее пяти с выходом более 90%. [12] Серебро, имеющее более низкий восстановительный потенциал, чем золото, может быть восстановлено на поверхности стержней с образованием монослоя путем осаждения при пониженном потенциале. Здесь осаждение серебра конкурирует с осаждением золота, тем самым замедляя скорость роста определенных кристаллических граней, что обеспечивает однонаправленный рост и образование стержней. Еще одним недостатком этого метода является высокая токсичность CTAB. Сообщалось, что для вытеснения CTAB с поверхности наностержня без ущерба для стабильности использовались полимеры, такие как полиэтиленгликоль (ПЭГ), покрытие из гидрохлорида полиаллиламина (ПАУ); пищевые волокна, такие как хитозан ; или биомолекулы, такие как фосфолипиды. [13] [14] [15] [16]

Катионный обмен

Катионный обмен является обычной, но многообещающей техникой для синтеза новых наностержней. Катионообменные преобразования в наностержнях кинетически выгодны и часто сохраняют форму. По сравнению с объемными кристаллическими системами катионный обмен наностержней происходит в миллионы раз быстрее из-за большой площади поверхности. Существующие наностержни служат шаблонами для создания различных наностержней, которые недоступны в традиционном мокром химическом синтезе. Кроме того, сложность может быть добавлена ​​путем частичного преобразования, создавая гетероструктуры наностержней. [17]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Садри, Рад (15 января 2021 г.). «Контролируемые физические свойства и механизм роста наностержней силицида марганца». Журнал сплавов и соединений . 851 : 156693. doi : 10.1016/j.jallcom.2020.156693. S2CID  224922987.
  2. ^ Чжэн, ZQ; и др. (2015). «Управляющий светом, гибкий и прозрачный датчик этанолового газа на основе наночастиц ZnO для носимых устройств». Scientific Reports . 5 : 11070. Bibcode :2015NatSR...511070Z. doi :10.1038/srep11070. PMC 4468465 . PMID  26076705. 
  3. ^ Gyu-Chul Yi, Chunrui Wang & Won Il Park (2005). "ZnO nanosters: synthesis, characterization and applications". Semiconductor Science and Technology . 20 (4): S22–S34. Bibcode : 2005SeScT..20S..22Y. CiteSeerX 10.1.1.453.931 . doi : 10.1088/0268-1242/20/4/003. S2CID  94547124. 
  4. ^ Ракаускас, Симас; Насибулин Альберт Г; Цзян, Хуа; Тянь, Ин; Клещ, Виктор I; Сайнио, Яни; Образцова Елена Д; Бокова, София Н; Образцов, Александр Н; Кауппинен, Эско I (22 апреля 2009 г.). «Новый метод синтеза металлооксидных нанопроволок». Нанотехнологии . 20 (16): 165603. Бибкод : 2009Nanot..20p5603R. дои : 10.1088/0957-4484/20/16/165603. PMID  19420573. S2CID  3529748.
  5. ^ Шкондин, Э.; Такаяма, О., Арьяи Панах, М. Э.; Лю, П., Ларсен, П. В.; Мар, М. Д., Дженсен, Ф.; Лавриненко, А. В. (2017). "Крупномасштабные массивы наностолбиков ZnO с высоким соотношением сторон, легированные алюминием, как анизотропные метаматериалы" (PDF) . Optical Materials Express . 7 (5): 1606–1627. Bibcode :2017OMExp...7.1606S. doi : 10.1364/OME.7.001606 .{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  6. ^ Бай, Дж.; Ван, К.; Ван, Т. (2012). «Характеристика светодиодов на основе наностержней InGaN с различным составом индия». Журнал прикладной физики . 111 (11): 113103–113103–7. Bibcode : 2012JAP...111k3103B. doi : 10.1063/1.4725417.
  7. ^ Пак, Ху Кын; Юн, Сонг Ун; Эо, Юн Джэ; Чунг, Вон У; Ю, Ган Ёль; О, Джи Хе; Ли, Кейонг Нам; Ким, Ун; До, Ён Рэг (2016). «Горизонтально собранные зеленые светодиоды на основе наностержней InGaN: масштабируемые поляризованные светодиоды с поверхностным излучением, использующие сборку с помощью электрического поля». Scientific Reports . 6 : 28312. Bibcode :2016NatSR...628312P. doi :10.1038/srep28312. PMC 4915009 . PMID  27324568. S2CID  4911793. 
  8. ^ Сюй, Бинше; Хан, Дэн; Лю, Пэйчжи; Лю, Цинмин; Чжан, Айцинь; Ма, Шуфан; Шан, Линь (2019). «Улучшенные люминесцентные свойства светодиода с матрицей наностержней InGaN/GaN». Оптическая инженерия . 58 (4): 1. Бибкод : 2019OptEn..58d5102X. дои :10.1117/1.OE.58.4.045102. S2CID  150200972.
  9. ^ "Преемник Samsung на базе квантовых точек, QNED, может поступить в производство в 2021 году". 16 июля 2020 г.
  10. ^ Хуан, Сяохуа; Неретина, Светлана; Эль-Сайед, Мостафа А. (28.12.2009). «Золотые наностержни: от синтеза и свойств до биологических и биомедицинских применений». Advanced Materials . 21 (48): 4880–4910. doi :10.1002/adma.200802789. ISSN  0935-9648.
  11. ^ Busbee, BD; Obare, SO; Murphy, CJ (2003-03-04). «Улучшенный синтез золотых наностержней с высоким соотношением сторон». Advanced Materials . 15 (5): 414–416. doi :10.1002/adma.200390095. ISSN  0935-9648.
  12. ^ Xiaohua Huang; Светлана Неретина и Мостафа А. Эль-Сайед (2009). «Золотые наностержни: от синтеза и свойств до биологических и биомедицинских приложений». Advanced Materials . 21 (48): 4880–4910. Bibcode : 2009AdM....21.4880H. doi : 10.1002/adma.200802789. PMID  25378252. S2CID  38185180.
  13. ^ Loo, Jacky; Lau, Pui-Man; Kong, Siu-Kai; Ho, Ho-Pui; Loo, Jacky Fong-Chuen; Lau, Pui-Man; Kong, Siu-Kai; Ho, Ho-Pui (2017-11-22). "Анализ с использованием локализованного поверхностного плазмонного резонанса и золотых наностержней, функционализированных аптамерами, для определения цитохрома-c, высвобождаемого из апоптотических раковых клеток, для определения эффекта противораковых препаратов". Micromachines . 8 (11): 338. doi : 10.3390/mi8110338 . PMC 6190337 . PMID  30400530. 
  14. ^ Ван, Цзяли; Ван, Цзя-Хун; Лю, Тин; Се, Чжисюн; Ю, Сюэ-Фэн; Ли, Вэньхуа (2015-06-22). «Поверхностная химия, но не соотношение сторон опосредует биологическую токсичность золотых наностержней in vitro и in vivo». Scientific Reports . 5 (1): 11398. Bibcode :2015NatSR...511398W. doi :10.1038/srep11398. ISSN  2045-2322. PMC 4476041 . PMID  26096816. 
  15. ^ Ван, Чун-Хао; Чан, Чиа-Вэй; Пэн, Чинг-Ан (2010-12-18). «Золотой наностержень, стабилизированный тиолированным хитозаном, как фототермический поглотитель для лечения раковых клеток». Журнал исследований наночастиц . 13 (7): 2749–2758. Bibcode : 2011JNR....13.2749W. doi : 10.1007/s11051-010-0162-5. ISSN  1388-0764. S2CID  136533861.
  16. ^ Roach, L.; Booth, M.; Ingram, N.; Paterson, DA; Moorcroft, SCT; Bushby, RJ; Critchley, K.; Coletta, PL; Evans, SD (2021). «Оценка функциональных золотых наностержней с фосфолипидами для применения in vivo». Small . 17 (13): 2006797. doi : 10.1002/smll.202006797 . ISSN  1613-6829. PMID  33682366.
  17. ^ Prashant K. Jain & Jessy B. Rivest (2012). "3. Катионный обмен в наномасштабе: новая технология для синтеза новых материалов, изготовления устройств и химического зондирования". Chemical Society Reviews . 42 (1): 89–96. doi :10.1039/c2cs35241a. PMID  22968228.
У Scholia есть профиль для наностержня (Q2684948).
  • Наностержни демонстрируют отрицательное преломление в ближнем ИК-диапазоне (EE Times, 5 декабря 2005 г.)
  • [1] С. Раманатан, С. Патибандла, С. Бандиопадьяй, Дж. Д. Эдвардс, Дж. Андерсон, Дж. Матер. наук: Матер. Электрон 17, 651 (2006)
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Nanorod&oldid=1221707093"