Diese Forschung erfolgte am Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), die von Battelle Memorial Institute für Department of Energy (DOE) unter Vertrag Nr. betrieben wird DE-AC05-76RL01830. Die Autoren erkennen dankbar Unterstützung durch das US Department of State durch den Schlüssel Überprüfung Assets Fund (V) unter interinstitutionelle Vereinbarung SIAA15AVCVPO10.

1. Material Vorbereitung <ol><li>legen Sie mehrere Silizium-Wafer von 2 Zoll in einen Quarz-Carrier für die Reinigung und der Silizium-Wafer in das Plasma Ätzen System zu laden. Pumpen Sie die Vakuumkammer bis mindestens 75 mTorr erreicht ab. Dies kann einige Minuten dauern.</li>
	<li>Beginnen den Gasstrom O 2 (30 Sccm) und lassen Sie den Druck zu stabilisieren. Stellen Sie Etch auf 15 min. Nach der Stabilisierung der Kammerdruck initiieren die Radiofrequenz (RF) 13,56 MHz 250 W Plasma. 
	Hinweis: Dieser Schritt reinigt der Silizium-Wafer von jedem organischen Verunreinigungen und functionalizes die Oberfläche mit hydroxylierten (-OH) Moieties und damit eine hydrophile Oberfläche.</li>
	<li>Während warten auf die Plasmareinigung Schritt um zu beenden, entfernen die kommerziell gekauften Polystyrol Nanokugeln (170 nm Durchmesser, 10 % Feststoffe, 0,5 % Sodium Dodecyl Sulfat) aus dem Kühlschrank (4 ° C). Den Container auf Zimmertemperatur erwärmen lassen.</li>
	<li>Kurz (1 min) Wirbel und beschallen (35 kHz, 1 min) Polystyrol Nanokugeln zur Minimierung von Nanosphere Agglomeration.</li>
	<li>In ein sauberes Glas-Fläschchen Messen 1,0 mL der 170 nm Polystyrol Nanokugeln und 1,0 mL H 2 O, eine 5 % Feststoffe kolloidale Suspension zu erhalten.</li>
	<li>Nach 15 min, stoppen Sie die Strömung von O 2, Entlüften die Vakuumkammer und entfernen die frisch gereinigte Wafer.</li>
</ol> 2. Spin-Coating Polystyrol Nanokugeln Vorlage <ol><li>entladen die gereinigten Silizium Wafer aus der Plasma-Radierer. Befestigen Sie dann einen 2 Zoll-Wafer auf der Spin Coater. Stellen Sie sicher, es richtig zentriert ist und dass der o-Ring frei von Fremdkörpern ist. Das Vakuum zu initiieren und sicherstellen, dass der Wafer auf der Bühne sicher befestigt ist.</li>
	<li>Parametrisieren Spin Spin-Coater. Diese Parameter variieren basierend auf der Nanosphere-Größe. Legen Sie für eine Lösung von 5 % 170 nm Nanokugeln der Spin Coater auf ein 1-Stufen-Prozess mit einer Spin-Zeit von 1 min, eine Drehzahl von 3.000 u/min und einer Beschleunigung von 2.000 u/min/s.</li>
	<li>Mit einer Einweg-Spritze, zurückziehen ~ 1 mL kolloidale Suspension aus dem Fläschchen. Das Fläschchen beiseite. Nehmen Sie eine 5 µm Spritze Filter und legen Sie sie am Ende der Spritze. Drücken Sie die Spritze, bis ein Tropfen der Aussetzung die Spitze löscht. Der Filter entfernt unerwünschte Aggregate und Feinstaub, die deutlich reduzieren kann Filmqualität.</li>
	<li>Einzahlen genügend Federung direkt in der Mitte des Wafers, dass etwa 2/3 der Fläche bedeckt ist. Versuchen Sie, die Bläschen zu minimieren, da die Filmqualität auswirken können. Schließen Sie den Deckel des Spin Coater und drücken Sie Start. Während dieses Prozesses ist die Dünnschicht Interferenzeffekte an der Oberfläche des Wafers als die Nanokugeln selbst zusammensetzen sehen möglich. Dies wird anhand der Nanosphere-Durchmesser variieren.</li>
	<li>Entfernen den Spin-beschichtete Wafer nach dem Deaktivieren des Vakuums. Wischen Sie die Schüssel und Deckel der Spin Coater entfernen überschüssige Nanokugeln.</li>
</ol> 3. Den Film Qualitätsbewertung und Vorbereitung zum Ätzen <ol><li>visuell beurteilen die Qualität der selbst-zusammengebauten Film durch auf der Suche nach deutliche Mängel wie Streifen oder Löcher, die durch Partikel während der Spin-Coating-Verfahren verursacht worden sein können.</li>
	<li>Bewerten die Filmqualität, indem man die Wafer unter dem Lichtmikroskop. Korngrenzen und einige Fehler sind normal. Wenn der Wafer große unbeschichtete Flächen oder offensichtliche Multilayern hat, ist es notwendig, die Spin-Parameter um ein gleichmäßiger Film zu erhalten. Elektronenmikroskopie kann auch zur Filmqualität bewerten.</li>
	<li>Schalten Sie die Lichtquelle, das Mikroskop und den Fokus auf die Oberfläche der Silizium-Wafer mit einer 20 X Objektiv. Beurteilung der Qualität an mehreren Stellen im gesamten Wafer um Einheitlichkeit zu gewährleisten.</li>
	<li>Die endgültige Filmqualität überprüfen, Rasterelektronenmikroskopie (SEM) verwenden, um die Nanosphere visualisieren Selbstmontage im Nanobereich. Es ist möglich, den Grad der Multilayer, Löcher und Korn Grenzen/Defekte in kleinen Portionen des Wafers relativ schnell mit dieser Technik beurteilen.</li>
	<li>, Sobald ein ausreichender Film gewonnen worden sind, legen die Wafer in einen Ofen (107 ° C) für 2 min, die selbst-zusammengebauten Nanokugeln Tempern. Auf diese Weise Haftung auf dem Substrat zu ermutigen und ergibt eine bessere Nanopatterned-Oberfläche nach dem Ätzen.</li>
</ol> 4. Radierung, Metal Deposition und optischen Charakterisierung <ol><li>laden den geglühten Wafer in der Plasma-Radierer und die Pumpe Prozess zu initiieren.</li>
	<li>Erreicht die Vakuumkammer mindestens 75 mTorr beginnen den Gasstrom O 2 (20 Sccm) und warten, bis der Druck zu stabilisieren. Initiieren der RF-Plasma (75 Watt) für 165 s.</li>
	<li>Sobald der RF-Plasma-Zyklus abgeschlossen ist, stoppen Sie die Strömung von O 2 und die Kammer zu entlüften.</li>
	<li>Das Substrat ist jetzt geätzt und bereit für die Metallabscheidung. Transport die Probe ein Sputter Coater und Hinterlegung einer dünnen (20 nm) Schicht aus Gold. Unterschiedlichen Ablagerung Winkel kann verwendet werden, um die optischen Eigenschaften von den Nanocups zu ändern. In diesem Fall Metallabscheidung normalerweise Vorfall auf dem Untergrund durchgeführt wurde.</li>
	<li>Nach der Metallabscheidung kann das Substrat mit optischen Spektroskopie charakterisiert werden. Konzentrieren Sie sich die Microspectrophotometer auf die Oberfläche des Substrats metallisiert und Messen Sie die Reflexionsvermögen Spektren zu. Die LSPR war für 170 nm geätzt Nanosphere Arrays, 615 nm.</li>
	<li>Using druckempfindliches Klebeband, sanft lege den Film in Kontakt mit dem Substrat. Es kann erforderlich sein, eventuelle Luftblasen zu entfernen, die an der Schnittstelle mit einer Pinzette gebildet.</li>
	<li>, Sobald das Band in Kontakt mit dem Substrat ist, kann das Band sofort abgezogen werden, um die Nanocups von der Substratoberfläche zu entfernen. Peel wieder sanft das Band und das Ergebnis ist ein flexibles und winkeltreue Film von gold Nanocups.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Fang, Y., Sun, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoplasmonic+waveguides:+towards+applications+in+integrated+nanophotonic+circuits.">Nanoplasmonic waveguides: towards applications in integrated nanophotonic circuits.</a> Light Sci Appl. 4, e294 (2015).</li><li>Li, J. F., Anema, J. R., Wandlowski, T., Tian, Z. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dielectric+shell+isolated+and+graphene+shell+isolated+nanoparticle+enhanced+Raman+spectroscopies+and+their+applications.">Dielectric shell isolated and graphene shell isolated nanoparticle enhanced Raman spectroscopies and their applications.</a> Chemical Society Reviews. 44 (23), 8399-8409 (2015).</li><li>Wang, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large+Area+Plasmonic+Color+Palettes+with+Expanded+Gamut+Using+Colloidal+Self-Assembly.">Large Area Plasmonic Color Palettes with Expanded Gamut Using Colloidal Self-Assembly.</a> ACS Photonics. , (2016).</li><li>Taylor, A. B., Michaux, P., Mohsin, A. S. M., Chon, J. W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron-beam+lithography+of+plasmonic+nanorod+arrays+for+multilayered+optical+storage.">Electron-beam lithography of plasmonic nanorod arrays for multilayered optical storage.</a> Optics Express. 22 (11), 13234-13243 (2014).</li><li>Endo, H., Mochizuki, Y., Tamura, M., Kawai, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+and+Functionalization+of+Periodically+Aligned+Metallic+Nanocup+Arrays+Using+Colloidal+Lithography+with+a+Sinusoidally+Wrinkled+Substrate.">Fabrication and Functionalization of Periodically Aligned Metallic Nanocup Arrays Using Colloidal Lithography with a Sinusoidally Wrinkled Substrate.</a> Langmuir. 29 (48), 15058-15064 (2013).</li><li>Wang, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Symmetry+breaking+in+individual+plasmonic+nanoparticles.">Symmetry breaking in individual plasmonic nanoparticles.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 103 (29), 10856-10860 (2006).</li><li>Wollet, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasmon+hybridization+in+stacked+metallic+nanocups.">Plasmon hybridization in stacked metallic nanocups.</a> Optical Materials Express. 2 (10), 1384-1390 (2012).</li><li>Duempelmann, L., Casari, D., Luu-Dinh, A., Gallinet, B., Novotny, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Color+Rendering+Plasmonic+Aluminum+Substrates+with+Angular+Symmetry+Breaking.">Color Rendering Plasmonic Aluminum Substrates with Angular Symmetry Breaking.</a> ACS Nano. 9 (12), 12383-12391 (2015).</li><li>King, N. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Angle-+and+Spectral-Dependent+Light+Scattering+from+Plasmonic+Nanocups.">Angle- and Spectral-Dependent Light Scattering from Plasmonic Nanocups.</a> ACS Nano. 5 (9), 7254-7262 (2011).</li><li>Mirin, N. A., Halas, N. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Light-Bending+Nanoparticles.">Light-Bending Nanoparticles.</a> Nano Letters. 9 (3), 1255-1259 (2009).</li><li>Eggleston, M. S., Messer, K., Zhang, L., Yablonovitch, E., Wu, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+antenna+enhanced+spontaneous+emission.">Optical antenna enhanced spontaneous emission.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (6), 1704-1709 (2015).</li><li>Bora, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasmonic+black+metals+in+resonant+nanocavities.">Plasmonic black metals in resonant nanocavities.</a> Applied Physics Letters. 102 (25), 251105 (2013).</li><li>Akselrod, G. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Efficient+Nanosecond+Photoluminescence+from+Infrared+PbS+Quantum+Dots+Coupled+to+Plasmonic+Nanoantennas.">Efficient Nanosecond Photoluminescence from Infrared PbS Quantum Dots Coupled to Plasmonic Nanoantennas.</a> ACS Photonics. , (2016).</li></ol>

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Dieses Protokoll zeigt eine kostengünstige und effiziente Technik für die Herstellung von periodischen Anordnungen von plasmonische gold Nanocups. Diese Technik ist besonders vorteilhaft, weil es serielle Top-Down-Prozesse wie Elektronenstrahllithographie oder fokussierten Ionenstrahl vermeidet Fräsen. Die vorgestellte Technik zeigt, dass im Handel erhältliche Polymere Nanokugeln auf einfache Weise dienen als Vorlage für die Weiterverarbeitung Nanogrösse selbst zusammengebaut werden können.
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Die Entstehung von Plasmonik in Verbindung mit verbesserten Nanofabrikation und Synthesetechniken bewirkten eine Vielzahl von interessanten Technologien wie z. B. Sub Beugung begrenzt Schaltungs, verbesserte chemische Detektion und optische Fernerkundung1 ,2,3. In diesem Protokoll zeigen wir eine skalierbare und relativ kostengünstige Technik zur Herstellung Nanopatterned plasmonische Substrate mit handelsüblichen Polymeren Nanokugeln und eine Radierung Schritt gefolgt von Metallabscheidung. Im Gegensatz zu anderen Techniken zur Herstellung von Nanopatterned Substraten, wie Elektron Lichtstrahl Lithographie4, diese Technik kann schnell und effizient auf skaliert werden 300 mm-Wafer und mit minimalem Aufwand und verwendet eine Übertragung überschreiten um flexibel produzieren und winkeltreue Filme5.
Seit der Römerzeit wissen wir, dass bestimmte Metalle wie Gold und Silber glänzende optische Eigenschaften haben können, wenn sie fein verteilt sind. Heute verstehen wir, dass diese Metallpartikel einen Effekt namens zeigen "lokalisiert Oberflächenplasmonenresonanz" (LSPR) Wenn ihre Abmessungen den nanoskaligen nähern. LSPR ist analog zu einer stehenden Welle in die schwach gebundene Elektronen im Metall gefunden kohärent schwingen, wenn Licht bestimmter Frequenzen die Metallpartikel erleuchtet. Anisotrope Nanostrukturen sind von besonderem Interesse, weil als Folge der Symmetrie brechen6,7,8einzigartige optische Resonanzen entstehen können.
Die Beleuchtung der Halbschale (Nanocup) Strukturen mit Licht kann begeistern, elektrischer Dipol oder magnetischen Dipol-Plasmon-Modi, abhängig von Faktoren wie der Ablagerung Winkel des Metalls, die Ausrichtung des Substrates in Bezug auf das einfallende Licht und den Polarisation des einfallenden Licht9. Nanocups sind oft analog zu dreidimensionalen Spaltring Resonatoren, in denen die Resonanzfrequenz kann angenähert wie ein LC-Oszillator10,11betrachtet worden. Die Resonanzfrequenz für die Größe des Polymeren Nanokugeln hier verwendet (170 nm), die Höhe der hinterlegten Gold (20 nm), und die Etch Preise Ausbeute Resonanzfrequenzen überspannt das sichtbare und in der Nähe von IR.
Die optischen Eigenschaften von gold Nanocups können entweder im Getriebe oder Reflexion, je nach Substrat verwendet für Spin-Coating gemessen werden. Im vorliegenden Protokoll haben wir 2 Zoll Silizium-Wafer als Substrat verwenden und Reflexion Messungen nach der Metallabscheidung. Die Messungen wurden mit einem Mikroskop gekoppelt an ein dispersives Spektrometer mit einer Halogen-Lichtquelle. Wir hatten auch Erfolg bei der Verwendung von Glassubstraten, zulassend Transmission und Reflexion Messungen unmittelbar nach der Metallabscheidung. Darüber hinaus ist diese Technik kann leicht skaliert werden und beschränkt sich nicht auf 2 Zoll-Wafer. Aufgrund der breite kommerzielle Verfügbarkeit von qualitativ hochwertigen monodispersen Polymeren Nanokugeln ist es einfach, die optischen Eigenschaften dieser Strukturen zu optimieren, indem Sie einfach mit unterschiedlich großen Nanokugeln.
In diesem Protokoll, eine Technik, um anisotropen Halbschale (oder Nanocup) Gold herzustellen, die Nanostrukturen mit einer Methode namens kolloidales Lithographie nachgewiesen werden. Kolloidales Lithographie benutzt Selbstmontage von hoch monodispersen Polymeren Nanosphere, um schnell ein Substrat Muster, die in ein plasmonische Substrat nach Sputter-Beschichtung eine dünne Schicht aus Gold weiterverarbeitet werden können. Ebenso ist es möglich, die Anisotropie des Substrats durch Kippen der Probe Substrat während Metallabscheidung zu stimmen. Die daraus resultierenden Strukturen sind Polarisation empfindlich wegen der Anisotropie der gebildeten Nanostruktur. Hier zeigen wir einen besonderen Fall und führen optische Charakterisierung und Lift-off, die Strukturen zu einem transparenten, flexiblen Film zu übertragen.

<table><tbody><tr><td>Polystyrene microspheres</td><td>Bangs Laboratories, Inc.</td><td>PS02N</td><td>170 nm &amp;ndash; 580 nm diameter</td></tr><tr><td>Silicon wafers</td><td>El-CAT, Inc.</td><td>3489</td><td>300 mm thick, one side polished [100]</td></tr><tr><td>Adhesive tape</td><td>3M</td><td>Scotch 600</td><td></td></tr><tr><td>Spin coater</td><td>Laurell</td><td>WS-650-23B</td><td></td></tr><tr><td>Plasma etcher</td><td>Nordson March&amp;nbsp;</td><td>AP-600</td><td></td></tr><tr><td>Microspectrophotometer</td><td>CRAIC</td><td>380-PV</td><td></td></tr><tr><td>Sonicator</td><td>VWR</td><td>97043-932</td><td></td></tr><tr><td>Scintillation vials</td><td>Wheaton</td><td>986734</td><td></td></tr><tr><td>5 um syringe filter</td><td>Millex</td><td>SLSV025LS</td><td></td></tr><tr><td>Oxygen gas</td><td>Oxarc</td><td>PO249&amp;nbsp;</td><td>Industrial Grade 99.5% purity</td></tr><tr><td>Vaccum pump</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>Edwards 28</td><td></td></tr><tr><td>Disposable syringes</td><td>Air Tite Products Co.</td><td>14-817-25</td><td>1 mL capacity</td></tr><tr><td>Water</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>W4502</td><td></td></tr></tbody></table>

fabrication of periodic gold nanocup arrays using colloidal lithography

In den letzten Jahren hat Feld Plasmonik explodiert, wie Forscher interessante Anwendungen, die im Zusammenhang mit chemischen und optischen Sensorik in Kombination mit neuen Nanofabrikation Techniken gezeigt haben. Ein Plasmon ist ein Quantum Ladungsdichte Schwingung, die nanoskaligen Metallen wie gold und Silber einzigartigen optischen Eigenschaften verleiht. Insbesondere weisen gold und Silber-Nanopartikel lokalisierte Oberflächen Plasmon Resonanzen-Kollektiv Ladungsdichte Schwingungen auf der Oberfläche der Nanopartikel-in des sichtbaren Spektrums. Hier konzentrieren wir uns auf die Herstellung von periodischen Anordnungen von anisotropen plasmonische Nanostrukturen. Diese Halbschale (oder Nanocup) Strukturen können zeigen zusätzliche einzigartige Licht-Biegung und Polarisation-abhängigen optischen Eigenschaften dieser einfachen isotropen Nanostrukturen können nicht. Forscher interessieren sich für die Herstellung von periodischen Anordnungen von Nanocups für eine Vielzahl von Anwendungen wie zum Beispiel kostengünstige optische Geräte, Oberfläche-enhanced Raman Streuung und Angabe zu manipulieren. Wir präsentieren Ihnen eine skalierbare Technik basierend auf kolloidale Lithographie, es lässt sich leicht große regelmäßige Anordnungen von Nanocups mit Spin-Coating fabrizieren und selbst montiert im Handel erhältliche Polymere Nanokugeln. Elektronen-Mikroskopie und optische Spektroskopie vom sichtbaren zum Nah-Infrarot (in der Nähe von IR) wurde durchgeführt, um erfolgreiche Nanocup Fertigung zu bestätigen. Wir schließen mit ein Beweis für die Übertragung von Nanocups auf eine flexible, winkeltreue Klebefolie.

Gold Nanocups wurden 170 nm Durchmesser Polystyrol Nanokugeln zubereitet. Nach 2 min bei 107 ° C Glühen und Ätzen mit einem 75 W, 20 Sccm O2 Plasma für 165 s, der resultierende Film war geprägt mit SEM (Abbildung 1). Bewertung die Qualität der Spin-gegossene Folie, optische Mikroskopie-neben der visuellen Inspektion-Mai werden verwendet (Abbildung 2). Qualitativ hochwertige Folien sollte im Wesentlichen frei von ...

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Fabrication of Periodic Gold Nanocup Arrays Using Colloidal Lithography

Wir zeigen die Herstellung von periodischen gold Nanocup Arrays mit kolloidalen lithographischen Techniken und sprechen über die Bedeutung von Nanoplasmonic Filmen.

Herstellung von periodischen Gold Nanocup Arrays mit kolloidalen Lithographie

Within recent years, the field of plasmonics has exploded as researchers have demonstrated exciting applications related to chemical and optical sensing ...

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Universidad San Sebastian

Research

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Engineering

7.1K Aufrufe.  Energy and Environment Directorate. Wir zeigen die Herstellung von periodischen gold Nanocup Arrays mit kolloidalen lithographischen Techniken und sprechen über die Bedeutung von Nanoplasmonic Filmen.

Serie: Fabrication of Periodic Gold Nanocup Arrays Using Colloidal Lithography

A Technique to Functionalize and Self-assemble Macroscopic Nanoparticle-ligand Monolayer Films onto Template-free Substrates

This protocol describes a self-assembly technique to create macroscopic monolayer films composed of ligand-coated nanoparticles1,2. The simple, robust and scalable technique efficiently functionalizes metallic nanoparticles with thiol-ligands in a miscible water/organic solvent mixture allowing for rapid grafting of thiol groups onto the gold nanoparticle surface. The hydrophobic ligands on the nanoparticles then quickly phase separate the nanoparticles from the aqueous based suspension and confine them to the air-fluid interface. This drives the ligand-capped nanoparticles to form monolayer domains at the air-fluid interface.&#160; The use of water-miscible organic solvents is important as it enables the transport of the nanoparticles from the interface onto template-free substrates.&#160; The flow is mediated by a surface tension gradient3,4 and creates macroscopic, high-density, monolayer nanoparticle-ligand films.&#160; This self-assembly technique may be generalized to include the use of particles of different compositions, size, and shape and may lead to an efficient assembly method to produce low-cost, macroscopic, high-density, monolayer nanoparticle films for wide-spread applications.

A simple, robust and scalable technique to functionalize and self-assemble macroscopic nanoparticle-ligand monolayer films onto template-free substrates is described in this protocol.

Eine Technik, um auf Vorlage freie Substrate zu funktionalisieren und Selbstorganisation makroskopische Nanopartikel-Liganden-Monolayer Films

This protocol describes a self-assembly technique to create macroscopic monolayer films composed of ligand-coated nanoparticles1,2. The simple, robust and ...

Forschung

Chemie

Synthesis, Assembly, and Characterization of Monolayer Protected Gold Nanoparticle Films for Protein Monolayer Electrochemistry

Colloidal gold nanoparticles protected with alkanethiolate ligands called monolayer protected gold clusters (MPCs) are synthesized and subsequently incorporated into film assemblies that serve as adsorption platforms for protein monolayer electrochemistry (PME). PME is utilized as the model system for studying electrochemical properties of redox proteins by confining them to an adsorption platform at a modified electrode, which also serves as a redox partner for electron transfer (ET) reactions. Studies have shown that gold nanoparticle film assemblies of this nature provide for a more homogeneous protein adsorption environment and promote ET without distance dependence compared to the more traditional systems modified with alkanethiol self-assembled monolayers (SAM).1-3 In this paper, MPCs functionalized with hexanethiolate ligands are synthesized using a modified Brust reaction4 and characterized with ultraviolet visible (UV-Vis) spectroscopy, transmission electron microscopy (TEM), and proton (1H) nuclear magnetic resonance (NMR). MPC films are assembled on SAM modified gold electrode interfaces by using a "dip cycle" method of alternating MPC layers and dithiol linking molecules. Film growth at gold electrode is tracked electrochemically by measuring changes to the double layer charging current of the system. Analogous films assembled on silane modified glass slides allow for optical monitoring of film growth and cross-sectional TEM analysis provides an estimated film thickness. During film assembly, manipulation of the MPC ligand protection as well as the interparticle linkage mechanism allow for networked films, that are readily adaptable, to interface with redox protein having different adsorption mechanism. For example, Pseudomonas aeruginosa azurin (AZ) can be adsorbed hydrophobically to dithiol-linked films of hexanethiolate MPCs and cytochrome c (cyt c) can be immobilized electrostatically at a carboxylic acid modified MPC interfacial layer. In this report, we focus on the film protocol for the AZ system exclusively. Investigations involving the adsorption of proteins on MPC modified synthetic platforms could further the understanding of interactions between biomolecules and man-made materials, and consequently aid the development of biosensor schemes, ET modeling systems, and synthetic biocompatible materials.5-8

Alkanethiolate stabilized gold colloids known as monolayer protected clusters (MPCs) are synthesized, characterized, and assembled into thin films as an adsorption interface for protein monolayer electrochemistry of simple redox protein like Pseudomonas aeruginosa azurin (AZ) and cytochrome c (cyt c).

Synthesis, Assembly und Charakterisierung von Monolayer Protected Gold-Nanopartikeln Films für die Protein-Monoschicht Elektrochemie

Colloidal gold nanoparticles protected with alkanethiolate ligands called monolayer protected gold clusters (MPCs) are synthesized and subsequently ...

Biotechnik

Colloidal Synthesis of Nanopatch Antennas for Applications in Plasmonics and Nanophotonics

We present a method for colloidal synthesis of silver nanocubes and the use of these in combination with a smooth gold film, to fabricate plasmonic nanoscale patch antennas. This includes a detailed procedure for the fabrication of thin films with a well-controlled thickness over macroscopic areas using layer-by-layer deposition of polyelectrolyte polymers, namely poly(allylamine) hydrochloride (PAH) and polystyrene sulfonate (PSS). These polyelectrolyte spacer layers serve as a dielectric gap in between silver nanocubes and a gold film. By controlling the size of the nanocubes or the gap thickness, the plasmon resonance can be tuned from about 500 nm to 700 nm. Next, we demonstrate how to incorporate organic sulfo-cyanine5 carboxylic acid (Cy5) dye molecules into the dielectric polymer gap region of the nanopatch antennas. Finally, we show greatly enhanced fluorescence of the Cy5 dyes by spectrally matching the plasmon resonance with the excitation energy and the Cy5 absorption peak. The method presented here enables the fabrication of plasmonic nanopatch antennas with well-controlled dimensions utilizing colloidal synthesis and a layer-by-layer dip-coating process with the potential for low cost and large-scale production. These nanopatch antennas hold great promise for practical applications, for example in sensing, ultrafast optoelectronic devices and for high-efficiency photodetectors.

A protocol for the colloidal synthesis of silver nanocubes and fabrication of plasmonic nanoscale patch antennas with sub-10 nm gaps is presented.

Kolloidales Synthese von Nanopatch Antennen für Anwendungen in Plasmonics und Nanophotonics

We present a method for colloidal synthesis of silver nanocubes and the use of these in combination with a smooth gold film, to fabricate plasmonic ...

Ingenieurwesen

Microfabrication of Nanoporous Gold Patterns for Cell-material Interaction Studies

Nanostructured materials with feature sizes in tens of nanometers have enhanced the performance of several technologies, including fuel cells, biosensors, biomedical device coatings, and drug delivery tools. Nanoporous gold (np-Au), produced by a nano-scale self-assembly process, is a relatively new material that exhibits large effective surface area, high electrical conductivity, and catalytic activity. These properties have made np-Au an attractive material to scientific community. Most studies on np-Au employ macro-scale specimens and focus on fundamental science of the material and its catalytic and sensor applications. The macro-scale specimens limit np-Au's potential in miniaturized systems, including biomedical devices. In order to address these issues, we initially describe two different methods to micropattern np-Au thin films on rigid substrates. The first method employs manually-produced stencil masks for creating millimeter-scale np-Au patterns, while the second method uses lift-off photolithography to pattern sub-millimeter-scale patterns. As the np-Au thin films are obtained by sputter-deposition process, they are compatible with conventional microfabrication techniques, thereby amenable to facile integration into microsystems. These systems include electrically-addressable biosensor platforms that benefit from high effective surface area, electrical conductivity, and gold-thiol-based surface bioconjugation. We describe cell culture, immunostaining, and image processing techniques to quantify np-Au's interaction with mammalian cells, which is an important performance parameter for some biosensors. We expect that the techniques illustrated here will assist the integration of np-Au in platforms at various length-scales and in numerous applications, including biosensors, energy storage systems, and catalysts.

We report on techniques to micropattern nanoporous gold thin films via stencil printing and photolithography, as well as methods to culture cells on the microfabricated patterns. In addition, we describe image analysis methods to characterize morphology of the material and the cultured cells using scanning electron and fluorescence microscopy techniques.

Microfabrication von Nanoporöse Gold-Patterns für Zell-Material-Interaktion Studies

Nanostructured materials with feature sizes in tens of nanometers have enhanced the performance of several technologies, including fuel cells, biosensors, ...

Large Area Substrate-Based Nanofabrication of Controllable and Customizable Gold Nanoparticles Via Capped Dewetting

Recent scientific advances in the utilization of metallic nanoparticle for enhanced energy conversion efficiency, improved optical device performance, and high-density data storage have demonstrated the potential benefit of their use in industrial applications. These applications require precise control over nanoparticle size, spacing, and sometimes shape. These requirements have resulted in the use of time and cost intensive processing steps to produce nanoparticles, thus making the transition to industrial application unrealistic. This protocol will resolve this issue by providing a scalable and affordable method for the large-area production of nanoparticle films with improved nanoparticle control compared to the current techniques. In this article, the process will be demonstrated with gold, but other metals can also be used.

This protocol details a novel nano-manufacturing technique that can be used to make controllable and customizable nanoparticle films over large areas based on the self-assembly of dewetting of capped metal films.

Großflächige Substrat-basierte Nanofabrikation von steuerbaren und anpassbare Gold-Nanopartikeln über angeschnittene Ärmel Dewetting

Recent scientific advances in the utilization of metallic nanoparticle for enhanced energy conversion efficiency, improved optical device performance, and ...

A Femtoliter Droplet Array for Massively Parallel Protein Synthesis from Single DNA Molecules

Advances in spatial resolution and detection sensitivity of scientific instrumentation make it possible to apply small reactors for biological and chemical research. To meet the demand for high-performance microreactors, we developed a femtoliter droplet array (FemDA) device and exemplified its application in massively parallel cell-free protein synthesis (CFPS) reactions. Over one million uniform droplets were readily generated within a finger-sized area using a two-step oil-sealing protocol. Every droplet was anchored in a femtoliter microchamber composed of a hydrophilic bottom and a hydrophobic sidewall. The hybrid hydrophilic-in-hydrophobic structure and the dedicated sealing oils and surfactants are crucial for stably retaining the femtoliter aqueous solution in the femtoliter space without evaporation loss. The femtoliter configuration and the simple structure of the FemDA device allowed minimal reagent consumption. The uniform dimension of the droplet reactors made large-scale quantitative and time-course measurements convincing and reliable. The FemDA technology correlated the protein yield of the CFPS reaction with the number of DNA molecules in each droplet. We streamlined the procedures about the microfabrication of the device, the formation of the femtoliter droplets, and the acquisition and analysis of the microscopic image data. The detailed protocol with the optimized low running cost makes the FemDA technology accessible to everyone who has standard cleanroom facilities and a conventional fluorescence microscope in their own place.

The overall goal of the protocol is to prepare over one million ordered, uniform, stable, and biocompatible femtoliter droplets on a 1 cm2 planar substrate that can be used for cell-free protein synthesis.

Ein Femtoliter Droplet Array für massive parallele Proteinsynthese aus einzelnen DNA-Molekülen

Advances in spatial resolution and detection sensitivity of scientific instrumentation make it possible to apply small reactors for biological and ...

Gold Nanoparticle Synthesis

Gold nanoparticles (Au nanoparticles) that are ~12 nm in diameter were synthesized by rapidly injecting a solution of 150 mg (0.15 mmol) of tetrachloroauric acid in 3.0 g (3.7 mmol, 3.6 mL) of oleylamine (technical grade) and 3.0 mL of toluene into a boiling solution of 5.1 g (6.4 mmol, 8.7 mL) of oleylamine in 147 mL of toluene. While boiling and mixing the reaction solution for 2 hours, the color of the reaction mixture changed from clear, to light yellow, to light pink, and then slowly to dark red. The heat was then turned off, and the solution was allowed to gradually cool down to room temperature for 1 hour. The gold nanoparticles were then collected and separated from the solution using a centrifuge and washed three times; by vortexing and dispersing the gold nanoparticles in 10 mL portions of toluene, and then precipitating the gold nanoparticles by adding 40 mL portions of methanol and spinning them in a centrifuge. The solution was then decanted to remove any remaining byproducts and unreacted starting materials. Drying the gold nanoparticles in a vacuum environment produced a solid black pellet; which could be stored for long periods of time (up to one year) for later use, and then redissolved in organic solvents such as toluene.

A protocol for synthesizing ~12 nm diameter gold nanoparticles (Au nanoparticles) in an organic solvent is presented. The gold nanoparticles are capped with oleylamine ligands to prevent agglomeration. The gold nanoparticles are soluble in organic solvents such as toluene.

Gold-Nanopartikel-Synthese

Gold nanoparticles (Au nanoparticles) that are ~12 nm in diameter were synthesized by rapidly injecting a solution of 150 mg (0.15 mmol) of ...

Versatile Technique to Produce a Hierarchical Design in Nanoporous Gold

The potential to generate variable pore sizes, simplistic surface modification, and a breadth of commercial uses in the fields of biosensors, actuators, drug loading and release, and the development of catalysts have unquestionably accelerated the usage of nanoporous gold (NPG)-based nanomaterials in research and development. This article describes the process of the generation of hierarchical bimodal nanoporous gold (hb-NPG) by employing a step-wise procedure involving electrochemical alloying, chemical dealloying techniques, and annealing to create both macro- and mesopores. This is done to improve the utility of NPG by creating a bicontinuous solid/void morphology. The area available for surface modification is enhanced by smaller pores, while molecular transport benefits from the network of larger pores. The bimodal architecture, which is the result of a series of fabrication steps, is visualized using scanning electron microscopy (SEM) as a network of pores that are less than 100 nm in size and connected by ligaments to larger pores that are several hundred nanometers in size. The electrochemically active surface area of the hb-NPG is assessed using cyclic voltammetry (CV), with a focus on the critical roles that both dealloying and annealing play in creating the necessary structure. The adsorption of different proteins is measured by solution depletion technique, revealing the better performance of hb-NPG in terms of protein loading. By changing the surface area to volume ratio, the created hb-NPG electrode offers tremendous potential for biosensor development. The manuscript discusses a scalable method to create hb-NPG surface structures, as they offer a large surface area for the immobilization of small molecules and improved transport pathways for faster reactions.

Nanoporous gold with a hierarchical and bimodal pore size distribution can be produced by combining electrochemical and chemical dealloying. The composition of the alloy can be monitored via EDS-SEM examination as the dealloying process advances. The material's loading capacity can be determined by studying protein adsorption onto the material.

Vielseitige Technik zur Herstellung eines hierarchischen Designs aus nanoporösem Gold

The potential to generate variable pore sizes, simplistic surface modification, and a breadth of commercial uses in the fields of biosensors, actuators, ...

Large-area Scanning Probe Nanolithography Facilitated by Automated Alignment and Its Application to Substrate Fabrication for Cell Culture Studies

Scanning probe microscopy has enabled the creation of a variety of methods for the constructive (&#39;additive&#39;) top-down fabrication of nanometer-scale features. Historically, a major drawback of scanning probe lithography has been the intrinsically low throughput of single probe systems. This has been tackled by the use of arrays of multiple probes to enable increased nanolithography throughput. In order to implement such parallelized nanolithography, the accurate alignment of probe arrays with the substrate surface is vital, so that all probes make contact with the surface simultaneously when lithographic patterning begins. This protocol describes the utilization of polymer pen lithography to produce nanometer-scale features over centimeter-sized areas, facilitated by the use of an algorithm for the rapid, accurate, and automated alignment of probe arrays. Here, nanolithography of thiols on gold substrates demonstrates the generation of features with high uniformity. These patterns are then functionalized with fibronectin for use in the context of surface-directed cell morphology studies.

Here we present a protocol for wide-area scanning probe nanolithography enabled by the iterative alignment of probe arrays, as well as the utilization of lithographic patterns for cell-surface interaction studies.

Großflächige Scan Sonde Nanolithografie erleichtert durch automatische Ausrichtung und seine Anwendung auf Substrat Herstellung für Zell-Kultur-Studien

Scanning probe microscopy has enabled the creation of a variety of methods for the constructive (&#39;additive&#39;) top-down fabrication of ...

Fabrication of Gradient Nanopattern by Thermal Nanoimprinting Technique and Screening of the Response of Human Endothelial Colony-forming Cells

Nanotopography can be found in various extracellular matrices (ECMs) around the body and is known to have important regulatory actions upon cellular reactions. However, it is difficult to determine the relation between the size of a nanostructure and the responses of cells owing to the lack of proper screening tools. Here, we show the development of reproducible and cost-effective gradient nanopattern plates for the manipulation of cellular responses. Using anodic aluminum oxide (AAO) as a master mold, gradient nanopattern plates with nanopillars of increasing diameter ranges [120-200&#8239;nm (GP 120/200), 200-280&#8239;nm (GP 200/280), and 280-360&#8239;nm (GP 280/360)] were fabricated by a thermal imprinting technique. These gradient nanopattern plates were designed to mimic the various sizes of nanotopography in the ECM and were used to screen the responses of human endothelial colony-forming cells (hECFCs). In this protocol, we describe the step-by-step procedure of fabricating gradient nanopattern plates for cell engineering, techniques of cultivating hECFCs from human peripheral blood, and culturing hECFCs on nanopattern plates.

Here, we present a protocol for the fabrication of gradient nanopattern plates via thermal nanoimprinting and the method of screening responses of human endothelial progenitor cells to the nanostructures. By using the described technology, it is possible to produce a scaffold that can manipulate cell behavior by physical stimuli.

Herstellung von Gradient Nanopattern durch thermische Nanoimprinting Technik und Screening der Reaktion des menschlichen koloniebildenden Endothelzellen

Nanotopography can be found in various extracellular matrices (ECMs) around the body and is known to have important regulatory actions upon cellular ...