自发定向生长的各向异性金属纳米结构

瑰丽多姿的纳米世界总是吸引人们不断的探索。当贵金属颗粒的尺寸达到纳米级别时,金属表面的电子会被入射光激发而产生共振,这种独特的局域表面等离子基元共振效应(LSPR)在光学,医学和能源领域都展示出广泛的应用前景。人们可以通过调控金属纳米颗粒的形状,尺寸,组成及颗粒间的耦合来调控它的光学性质,以满足不同的应用需求。其中纳米颗粒的形貌调控是一个非常有效的方法。当颗粒的形状从球形变成各向异性后,它的光学性质会产生显著的变化。人们已经利用化学合成的方法制备了丰富的个向异性结构,例如纳米棒,纳米片,纳米环等,这些结构均在不同的应用领域展示出了超越球形的巨大优势。但是,以往的化学合成会受到方法本身的限制,一方面,一种合成方法只能用于合成特定的材料,不具有广泛的意义;另一方面,合成出来的材料在溶液里的方向是随机的。由于各向异性金属纳米颗粒的光学性质会随着入射光电场振动方向的改变而发生改变,而随机分布的颗粒无法体现出这个性质,这个不足大大限制了各向异性纳米材料的应用范围。

近日,加州大学河滨分校殷亚东(Yadong Yin)教授课题组提出了一种利用模板辅助合成多种各向异性纳米颗粒的方法。该方法使用二氧化硅纳米球作为载体,将球形金纳米颗粒先负载在硅球上,再沉积一层二氧化硅。通过对二氧化硅层厚度的精确控制,研究人员可以准确控制球形金纳米颗粒暴露在溶液中的部分,再以此结构作为种子进一步长金,得到棒状的金球二聚体。这个生长方法有以下几个独特之处:(1)合成的金球二聚体表现出了与单个金球完全不同的光学性质,除了在530 nm的吸收之外,样品在620 nm处出现一个新的吸收峰,使得纳米颗粒的颜色由红色变成蓝紫色;(2)此方法中使用的模板为一般的二氧化硅纳米球,不需要像通常的模板法一样精确控制模板的形貌,省去了复杂的模板制备过程;(3)可以通过重复沉积二氧化硅和长金的步骤制备具有更大长径比的棒状金属纳米颗粒,例如金球的三聚体,四聚体等等;(4)此方法可以被广泛应用,不仅可以制备同种金属的二聚体,还可以制备不同金属,甚至金属氧化物的二聚体,例如金-银,金-钯,金-氧化亚铜等等;(5)最重要的一点,此方法可以有效地控制棒状金属二聚体的排列方向,所有棒状颗粒均可以按照长边垂直于基底的方向自发排列。基于这一特点,研究人员用磁性纳米棒和纳米片作为基底,制备了长边垂直于纳米棒长轴和纳米片平面的金-金,金-银球形二聚体纳米颗粒。通过施加外部磁场,溶液中金属纳米颗粒的方向可以被有效控制。当入射光振动方向固定时,研究人员可以通过改变金属纳米颗粒的方向来调控其光学性质,实现从红色到蓝紫色,红色到绿色的转变。基于这一特点,他们制备了一种新型的加密膜材料。该膜材料中,金属纳米颗粒的方向可以被很方便地通过磁场来固定在图案中,互相垂直。在普通光照下,图案被隐藏,偏振光下图案被解码。这个工作提出了一个非常有效的合成定向排列的各向异性金属纳米颗粒的方法,有望被广泛应用于其它光电相关领域。该结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201900789)上,第一作者为加州大学河滨分校化学系学生冯汲和杨帆。

Speak Your Mind

*