På vej til plasmonik med sølv polyedriske nanokrystaller

Spørgsmålet om, hvor mange polyedriske nanokrystaller af sølv, der kan pakkes ind i millimeterstore superkrystaller, brænder måske ikke på mange læber, men svaret har betydning for et af nutidens hotteste nye højteknologiske områder – plasmonics! Forskere med DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) kan have åbnet døren til en enklere tilgang til fremstilling af plasmoniske materialer ved at inducere polyhedralformede sølvnanokrystaller til selv at samle sig til tredimensionelle superkrystaller med den højest mulige tæthed.

Plasmonik er det fænomen, hvorved en lysstråle er indespærret i ultratrange rum, så den kan manipuleres til at gøre ting, som en lysstråle i det åbne rum ikke kan. Dette fænomen lover meget for superhurtige computere, mikroskoper, der kan se objekter i nanoskala med synligt lys, og endda skabelsen af ​​usynlighedstæpper. En stor udfordring for udvikling af plasmonisk teknologi, imidlertid, er vanskeligheden ved at fremstille metamaterialer med grænseflader i nanostørrelse mellem ædelmetaller og dielektrikum.

Peidong Yang, en kemiker hos Berkeley Labs Materials Sciences Division, ledet en undersøgelse, hvor sølv nanokrystaller af en række polyedriske former selv samles til eksotiske millimeterstore overbygninger gennem en simpel sedimentationsteknik baseret på tyngdekraften. Denne første demonstration nogensinde af dannelse af sådanne store sølv-superkrystaller gennem sedimentering er beskrevet i et papir i tidsskriftet Naturmaterialer med titlen "Selvsamling af ensartede polyedriske sølvnanokrystaller til tætteste pakninger og eksotiske supergitter." Yang, som også har aftaler med University of California Berkeley's Chemistry Department og Department of Materials Science and Engineering, er den tilsvarende forfatter.

"Vi har vist gennem eksperiment og computersimulering, at en række meget ensartede, polyedriske sølvkrystaller i nanoskala kan selv samles til strukturer, der er blevet beregnet til at være de tætteste pakninger af disse former, " siger Yang. "Desuden, i tilfældet med oktaedre, vi viste, at styring af polymerkoncentrationen giver os mulighed for at tune mellem en velkendt gitterpakningsstruktur og en ny pakningsstruktur, der indeholdt komplekse spiralformede motiver."

I den Naturmaterialer Paper Yang og hans medforfattere beskriver en polyolsynteseteknik, der blev brugt til at generere sølv nanokrystaller i forskellige former, inklusive terninger, afkortede terninger, cuboctahedra, trunkerede oktaedre og oktaedre over en række størrelser fra 100 til 300 nanometer. Disse ensartede polyedriske nanokrystaller blev derefter anbragt i opløsning, hvor de samlede sig selv til tætte superkrystaller på omkring 25 kvadratmillimeter store gennem gravitationel sedimentation. Mens samlingsprocessen kunne udføres i bulkopløsning, at lade samlingen finde sted i reservoirerne af mikroarray-kanaler, hvilket gav Yang og hans samarbejdspartnere præcis kontrol over supergitterets dimensioner.

"I et typisk eksperiment, en fortyndet opløsning af nanopartikler blev fyldt i et reservoir, der derefter blev vippet, får partiklerne til gradvist at sedimentere og samle sig i bunden af ​​reservoiret, " siger Yang. "Mere koncentrerede løsninger eller højere hældningsvinkler fik samlingerne til at danne hurtigere."

The assemblies generated by this sedimentation procedure exhibited both translational and rotational order over exceptional length scales. In the cases of cubes, truncated octahedra and octahedra, the structures of the dense supercrystals corresponded precisely to their densest lattice packings. Although sedimentation-driven assembly is not new, Yang says this is the first time the technique has been used to make large-scale assemblies of highly uniform polyhedral particles.

"The key factor in our experiments is particle shape, a feature we have found easier to control, " Yang says. "When compared with crystal structures of spherical particles, our dense packings of polyhedra are characterized by higher packing fractions, larger interfaces between particles, and different geometries of voids and gaps, which will determine the electrical and optical properties of these materials."

The silver nanocrystals used by Yang and his colleagues are excellent plasmonic materials for surface-enhanced applications. Packing the nanocrystals into three-dimensional supercrystals allows them to be used as metamaterials with the unique optical properties that make plasmonic technology so intriguing.

"Our self-assembly process for these silver polyhedral nanocrystals may give us access to a wide range of interesting, scalable nanostructured materials with dimensions that are comparable to those of bulk materials, " Yang says.