Нанород
В нанотехнологиях . наностержни представляют собой одну из морфологий наноразмерных объектов Каждый из их размеров находится в диапазоне 1–100 нм . Их можно синтезировать из металлов или полупроводниковых материалов. [1] Стандартные соотношения сторон (длина, разделенная на ширину) составляют 3–5. Наностержни производятся методом прямого химического синтеза . Комбинация лигандов действует как агент контроля формы и связывается с разными гранями наностержня с разной прочностью. Это позволяет различным граням наностержня расти с разной скоростью, создавая удлиненный объект.
Одним из потенциальных применений наностержней являются технологии отображения, поскольку отражательную способность стержней можно изменить, изменив их ориентацию с помощью приложенного электрического поля. Другое применение — микроэлектромеханические системы (МЭМС). Наностержни, наряду с наночастицами других благородных металлов, также действуют как терапевтические агенты. Наностержни поглощают ближний ИК-излучение и выделяют тепло при возбуждении ИК-светом. Это свойство привело к использованию наностержней в качестве лекарства от рака. Наностержни можно конъюгировать с мотивами, нацеленными на опухоль, и проглатывать. Когда пациент подвергается воздействию ИК-излучения (проходящего через ткани тела), наностержни, избирательно поглощаемые опухолевыми клетками, локально нагреваются, разрушая только раковую ткань, оставляя здоровые клетки нетронутыми.
Наностержни на основе полупроводниковых материалов также исследовались на предмет применения в качестве устройств для сбора энергии и излучения света. В 2006 году Раманатан и др. продемонстрировал 1 опосредованная электрическим полем перестраиваемая фотолюминесценция, , из наностержней ZnO, имеющая потенциал для применения в качестве новых источников ближнего ультрафиолетового излучения.
Синтез [ править ]
Наностержни ZnO [ править ]
Наностержень оксида цинка (ZnO), также известный как нанопроволока , имеет прямую запрещенную зону 3,37 эВ , что аналогично энергии GaN , и энергию связи возбуждения 60 мэВ. Оптическую запрещенную зону наностержня ZnO можно регулировать, изменяя морфологию , состав, размер и т. д. В последние годы [ когда? ] Наностержни ZnO интенсивно используются для изготовления наноэлектронных устройств, включая полевой транзистор , ультрафиолетовый фотодетектор , диод Шоттки и сверхяркий светоизлучающий диод (LED). Были разработаны различные методы изготовления монокристаллических наностержней вюрцита ZnO. Среди этих методов выращивание из паровой фазы является наиболее развитым подходом. В типичном процессе роста пары ZnO конденсируются на твердой подложке. Пары ZnO можно генерировать тремя методами: термическим испарением, химическим восстановлением и методом пар-жидкость-твердое тело (VLS). При методе термического испарения коммерческий порошок ZnO смешивают с SnO 2 и упаривают путем нагревания смеси при повышенной температуре. При методе химического восстановления пары цинка, образующиеся при восстановлении ZnO, передаются в зону роста с последующим повторным окислением до ZnO. Процесс VLS, первоначально предложенный в 1964 году, является наиболее часто используемым процессом синтеза монокристаллических наностержней ZnO. В типичном процессе каталитические капли осаждаются на подложку и газовые смеси, включающие 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. химическое осаждение металлоорганических соединений ( MOCVD Недавно также было разработано ). В этом процессе не участвует катализатор, а температура роста составляет 400–500 °C, т.е. значительно более мягкие условия по сравнению с традиционным методом выращивания из паровой фазы. [3] Более того, наностержни оксидов металлов (ZnO, CuO, Fe 2 O 3 , V 2 O 5 и др.) можно просто получить путем нагревания исходного металла на воздухе в процессе термического окисления . [4] Например, для изготовления плотного «ковра» из наностержней CuO оказалось достаточно нагреть медную фольгу на воздухе до 420 °C. Помимо этих производственных схем, наностержни и трубки ZnO могут быть изготовлены путем сочетания глубокой УФ-литографии, сухого травления и атомно-слоевого осаждения (ALD). [5]
Наностержни InGaN/GaN [ править ]
InGaN / GaN могут быть изготовлены с использованием методов сухого травления или травления сфокусированным ионным лучом. Светодиоды с матрицей наностержней [6] Такие светодиоды излучают поляризованный синий или зеленый свет. [7] Трехмерные структуры наностержней имеют большую излучающую поверхность, что приводит к большей эффективности и светоизлучению по сравнению с плоскими светодиодами. [8] Светодиодные дисплеи с наностержнями с квантовыми точками (QNED), напечатанные чернилами, исследуются компанией Samsung, при этом светодиоды с наностержнями InGaN заменяют слой органического OLED в дисплеях QD-OLED . [9]
Золотые наностержни [ править ]
Метод выращивания с использованием затравки является наиболее распространенным и эффективным методом синтеза высококачественных золотых наностержней. [10] Типичный протокол выращивания включает добавление золотых наносфер, закрытых цетилтриметиламмоний бромидом (ЦТАБ) или цитратом, служащих затравками, к основному раствору для выращивания HAuCl 4 . Ростовой раствор получают восстановлением HAuCl 4 в аскорбиновой кислотой присутствии цетилтриметиламмоний бромид (ЦТАБ) ПАВ и ионов серебра. Более длинные наностержни (до соотношения сторон 25) можно получить в отсутствие нитрата серебра с помощью трехэтапной процедуры добавления. В этом протоколе семена последовательно добавляются в раствор для выращивания, чтобы контролировать скорость гетерогенного осаждения и, следовательно, скорость роста кристаллов.
Недостатком этого метода является образование наносфер золота, что требует нетривиальных разделений и очисток. В одной из модификаций этого метода цитрат натрия заменяется более сильным стабилизатором ЦТАБ в процедурах нуклеации и роста. Повышение pH является еще одним способом достижения наностержней с высоким соотношением сторон (> 25: 1) и высоким выходом (> 90%) за счет увеличения полидисперсности. [11] Еще одним усовершенствованием является введение ионов серебра в ростовой раствор, в результате чего получаются наностержни с соотношением сторон менее пяти и выходом более 90%. [12] Серебро, имеющее более низкий потенциал восстановления, чем золото, может быть восстановлено на поверхности стержней с образованием монослоя путем осаждения под пониженным напряжением. Здесь осаждение серебра конкурирует с осаждением золота, тем самым замедляя скорость роста определенных граней кристалла, обеспечивая однонаправленный рост и образование стержней. Еще одним недостатком этого метода является высокая токсичность ЦТАБ. Полимеры, такие как полиэтиленгликоль (ПЭГ), покрытие из полиаллиламина гидрохлорида (ПАУ); пищевые волокна, такие как хитозан ; Сообщалось, что для вытеснения ЦТАБ с поверхности наностержней без ущерба для стабильности использовались биомолекулы, такие как фосфолипиды. [13] [14] [15] [16]
Катионный обмен [ править ]
Катионный обмен — традиционный, но многообещающий метод синтеза новых наностержней. Катионообменные превращения в наностержнях кинетически выгодны и часто сохраняют форму. По сравнению с объемными кристаллическими системами катионный обмен наностержней происходит в миллион раз быстрее из-за большой площади поверхности. Существующие наностержни служат шаблонами для изготовления различных наностержней, недоступных при традиционном мокром химическом синтезе. Кроме того, сложность можно добавить за счет частичной трансформации, создавая гетероструктуры наностержней. [17]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ 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 .
- ^ Чжэн, ZQ; и др. (2015). «Светоуправляемый, гибкий и прозрачный датчик газа этанола на основе наночастиц ZnO для носимых устройств» . Научные отчеты . 5 : 11070. Бибкод : 2015NatSR...511070Z . дои : 10.1038/srep11070 . ПМЦ 4468465 . ПМИД 26076705 .
- ^ Гю-Чул И, Чунруй Ван и Вон Иль Пак (2005). «Наностержни ZnO: синтез, характеристика и применение». Полупроводниковая наука и технология . 20 (4): С22–С34. Бибкод : 2005SeScT..20S..22Y . CiteSeerX 10.1.1.453.931 . дои : 10.1088/0268-1242/20/4/003 . S2CID 94547124 .
- ^ 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 . ПМИД 19420573 . S2CID 3529748 .
- ^ Шкондин Е.; Такаяма, О., Арьяи Панах, МЭ; Лю П., Ларсен П.В.; Мар, доктор медицинских наук, Дженсен, Ф.; Лавриненко, А.В. (2017). «Крупномасштабные массивы наностолбиков ZnO, легированных Al, с высоким аспектным соотношением как анизотропные метаматериалы» (PDF) . Оптические материалы Экспресс . 7 (5): 1606–1627. Бибкод : 2017OMExp...7.1606S . дои : 10.1364/OME.7.001606 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Бай, Дж.; Ван, К.; Ван, Т. (2012). «Характеристика наностержневых светодиодов на основе InGaN с различным составом индия» . Журнал прикладной физики . 111 (11): 113103–113103–7. Бибкод : 2012JAP...111k3103B . дои : 10.1063/1.4725417 .
- ^ Пак, Ху Гын; Юн, Сон Ун; Эо, Юн Джэ; Чунг, Вон У; Ю, Ган Ёль; О, Джи Хе; Ли, Кейонг Нам; Ким, Вун; Делай, Молодой Рэп (2016). «Горизонтально собранные зеленые светодиоды из наностержней InGaN: масштабируемые поляризованные светодиоды с поверхностным излучением с использованием сборки с помощью электрического поля» . Научные отчеты . 6 : 28312. Бибкод : 2016NatSR...628312P . дои : 10.1038/srep28312 . ПМК 4915009 . ПМИД 27324568 . S2CID 4911793 .
- ^ 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 .
- ^ «Преемник квантовых точек от Samsung, QNED, может быть запущен в производство в 2021 году» . 16 июля 2020 г.
- ^ Хуан, Сяохуа; Неретина Светлана; Эль-Сайед, Мостафа А. (28 декабря 2009 г.). «Золотые наностержни: от синтеза и свойств к биологическим и биомедицинским применениям» . Продвинутые материалы . 21 (48): 4880–4910. дои : 10.1002/adma.200802789 . ISSN 0935-9648 .
- ^ Басби, Б.Д.; Обаре, СО; Мерфи, CJ (4 марта 2003 г.). «Улучшенный синтез золотых наностержней с высоким аспектным соотношением» . Продвинутые материалы . 15 (5): 414–416. дои : 10.1002/adma.200390095 . ISSN 0935-9648 .
- ^ Сяохуа Хуан; Светлана Неретина и Мостафа А. Эль-Сайед (2009). «Золотые наностержни: от синтеза и свойств к биологическим и биомедицинским применениям». Продвинутые материалы . 21 (48): 4880–4910. Бибкод : 2009AdM....21.4880H . дои : 10.1002/adma.200802789 . ПМИД 25378252 . S2CID 38185180 .
- ^ Лу, Джеки; Лау, Пуи-Ман; Конг, Сиу-Кай; Хо, Хо-Пуй; Лу, Джеки Фонг-Чуэн; Лау, Пуи-Ман; Конг, Сиу-Кай; Хо, Хо-Пуй (22 ноября 2017 г.). «Анализ с использованием локализованного поверхностного плазмонного резонанса и золотых наностержней, функционализированных аптамерами, для определения цитохрома-с, высвобождаемого из апоптотических раковых клеток, для определения эффекта противоракового препарата» . Микромашины . 8 (11): 338. дои : 10.3390/ми8110338 . ПМК 6190337 . ПМИД 30400530 .
- ^ Ван, Цзяли; Ван, Цзя-Хонг; Лю, Тин; Се, Чжисюн; Ю, Сюэ-Фэн; Ли, Вэньхуа (22 июня 2015 г.). «Химия поверхности, но не соотношение сторон, определяет биологическую токсичность золотых наностержней in vitro и in vivo» . Научные отчеты . 5 (1): 11398. Бибкод : 2015NatSR...511398W . дои : 10.1038/srep11398 . ISSN 2045-2322 . ПМЦ 4476041 . ПМИД 26096816 .
- ^ Ван, Чунг-Хао; Чанг, Цзя-Вэй; Пэн, Чинг-Ань (18 декабря 2010 г.). «Золотой наностержень, стабилизированный тиолированным хитозаном, в качестве фототермического поглотителя для лечения раковых клеток». Журнал исследований наночастиц . 13 (7): 2749–2758. Бибкод : 2011JNR....13.2749W . дои : 10.1007/s11051-010-0162-5 . ISSN 1388-0764 . S2CID 136533861 .
- ^ Роуч, Л.; Бут, М.; Ингрэм, Н.; Патерсон, округ Колумбия; Муркрофт, ЮКЗ; Бушби, Р.Дж.; Кричли, К.; Колетта, Польша; Эванс, SD (2021). «Оценка золотых наностержней, функционализированных фосфолипидами, для применения in vivo» . Маленький . 17 (13): 2006797. doi : 10.1002/smll.202006797 . ISSN 1613-6829 . ПМИД 33682366 .
- ^ Прашант К. Джайн и Джесси Б. Ривест (2012). «3. Катионный обмен в наномасштабе: новый метод синтеза новых материалов, изготовления устройств и химического зондирования». Обзоры химического общества . 42 (1): 89–96. дои : 10.1039/c2cs35241a . ПМИД 22968228 .
Внешние ссылки [ править ]
- 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)