Luận án Tiến sĩ: Tương tác Quang và Điện trong các Siêu cấu trúc Nano Kim loại Tự lắp ráp của Päivi Ahonen

Luận văn TS 2008: Tương tác quang điện trong siêu cấu trúc hạt nano kim loại tự lắp ráp. Nghiên cứu sâu về cấu trúc vật liệu.

Trường ĐH

Helsinki University of Technology

Chuyên ngành

Physical Chemistry

Tác giả

Luan An

Thể loại

Doctoral Dissertation

Năm xuất bản

Số trang

72

Thời gian đọc

11 phút

Lượt xem

0

Lượt tải

0

Phí lưu trữ

40 Point

Tổng quan nhanh

Chủ đề:
Tương tác Quang Điện tử: Siêu cấu trúc Nano Kim loại
Số trang:
72 trang
Trường:
Helsinki University of Technology
Chuyên ngành:
Physical Chemistry
Tác giả:
Năm:

Tóm tắt nội dung luận án

I.Tương tác Quang Điện tử Siêu cấu trúc Nano Kim loại

Nghiên cứu này khám phá sâu sắc "tương tác quang điện tử" trong "siêu cấu trúc nano kim loại tự lắp ráp". Nó giải quyết một hiện tượng cơ bản trong hóa học, vật lý và khoa học vật liệu: quá trình tự lắp ráp. Giống như các hệ thống sinh học tự nhiên, luận án này điều tra cách các hạt nano kim loại có thể tự tổ chức thành các cấu trúc phức tạp, có chức năng. Mục tiêu là tạo ra các thiết bị nano mới, khai thác các "tính chất quang điện tử" độc đáo phát sinh từ sự sắp xếp này. Luận án nhấn mạnh vai trò của các hạt nano vàng và bạc được bảo vệ bởi ligand trong việc xây dựng các "vật liệu nano tự lắp ráp" có kiểm soát. Việc điều chỉnh các tương tác giữa các "hạt nano kim loại" là chìa khóa để đạt được các đặc tính mong muốn, tạo ra một nền tảng linh hoạt cho các ứng dụng công nghệ. Hiểu rõ các tương tác "tương tác ánh sáng-vật chất" ở quy mô nano mở ra cánh cửa cho sự đổi mới vật liệu.

1.1. Khái niệm Tự lắp ráp và Vật liệu Nano

Tự lắp ráp đại diện cho một phương pháp "chế tạo bottom-up" hiệu quả, mô phỏng các quá trình tự nhiên. Các hệ thống sinh học như màng lipid và cấu trúc protein bậc ba hình thành thông qua quá trình tự lắp ráp tự phát. Luận án này áp dụng nguyên lý này vào lĩnh vực "vật liệu nano tự lắp ráp", sử dụng các "hạt nano kim loại" làm khối xây dựng cơ bản. Những hạt này, khi được điều khiển đúng cách, có thể tự tổ chức thành các siêu cấu trúc phức tạp với các đặc tính mới. Khả năng thay đổi môi trường cục bộ, chẳng hạn như điều chỉnh pH, có thể ảnh hưởng đến cấu hình và do đó, các tính chất tập thể của các vật liệu này. Điều này chứng minh tính linh hoạt của phương pháp tự lắp ráp trong việc tạo ra các vật liệu thông minh và phản ứng.

1.2. Tương tác Quang Điện trong Cấu trúc Nano

Trọng tâm của nghiên cứu là các "tương tác quang điện tử" bên trong các "siêu cấu trúc nano kim loại". Luận án điều tra cả cách ánh sáng tương tác với các cấu trúc này và cách electron được vận chuyển qua chúng. Sự kết hợp của các "hạt nano kim loại" trong các siêu cấu trúc tạo ra các hiệu ứng "tương tác ánh sáng-vật chất" mạnh mẽ, không có ở các hạt riêng lẻ. Các tính chất tập thể này có thể được điều chỉnh thông qua việc thay đổi cấu hình và môi trường của các cụm hạt. Việc khám phá các "tính chất quang điện tử" ở cấp độ nano là rất quan trọng để phát triển các thiết bị mới. Nó cung cấp cái nhìn sâu sắc về các cơ chế cơ bản kiểm soát chức năng của các "cấu trúc nano plasmonic" và các ứng dụng tiềm năng.

1.3. Tiềm năng Ứng dụng của Siêu cấu trúc

Việc hình thành các "siêu cấu trúc nano kim loại" mang lại tiềm năng đáng kể cho các ứng dụng công nghệ. Mục tiêu chính là phát triển các thiết bị chức năng ở quy mô nano. Bằng cách kiểm soát quá trình "vật liệu nano tự lắp ráp" và các tương tác giữa "hạt nano kim loại", các nhà nghiên cứu có thể điều chỉnh các "tính chất quang điện tử" của vật liệu. Khả năng thay đổi các tính chất tập thể của các tập hợp phân tử thông qua các kích thích bên ngoài, như thay đổi pH, mở ra các con đường mới. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm từ các "cảm biến plasmonic" độ nhạy cao đến các thành phần cho "siêu vật liệu quang học" tiên tiến. Sự hiểu biết sâu sắc về các quá trình này là nền tảng cho sự đổi mới trong khoa học và kỹ thuật vật liệu.

II.Chế tạo Bottom up Hạt Nano Kim loại Ligand

Luận án này trình bày chi tiết về quá trình "chế tạo bottom-up" để sản xuất các "hạt nano kim loại" chất lượng cao. Các hạt nano bạc và vàng đã được tổng hợp một cách cẩn thận, phục vụ làm khối xây dựng cho các siêu cấu trúc. Vai trò của ligand bọc bề mặt là vô cùng quan trọng, quyết định đặc tính hóa học và chức năng của từng hạt. Việc lựa chọn ligand không chỉ ổn định các hạt nano riêng lẻ mà còn định hướng các tương tác giữa chúng. Điều này cho phép "vật liệu nano tự lắp ráp" thành các cấu trúc phức tạp và có chức năng. Nghiên cứu này nhấn mạnh sự kiểm soát chính xác cần thiết trong quá trình tổng hợp và chức năng hóa bề mặt. Nó đảm bảo các siêu cấu trúc cuối cùng sở hữu các "tính chất quang điện tử" và khả năng vận chuyển điện tử mong muốn.

2.1. Tổng hợp Hạt Nano Vàng và Bạc

Quá trình tổng hợp các "hạt nano kim loại" là một bước cơ bản trong nghiên cứu này. Hạt nano vàng và bạc được chọn vì tính chất quang điện tử và khả năng hình thành "cấu trúc nano plasmonic" đặc biệt. Các phương pháp tổng hợp đảm bảo kích thước, hình dạng và sự phân bố đồng nhất của các hạt. Điều này là tối quan trọng để đạt được các "tính chất quang điện tử" có thể dự đoán được trong các siêu cấu trúc. Việc điều chỉnh các thông số tổng hợp trực tiếp ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình tự lắp ráp. Nó cũng ảnh hưởng đến các "tương tác ánh sáng-vật chất" sau này trong vật liệu. Sự kiểm soát chặt chẽ quá trình tổng hợp là nền tảng cho việc tạo ra "vật liệu nano tự lắp ráp" đáng tin cậy.

2.2. Vai trò của Ligand trong Điều khiển Tương tác

Ligand đóng vai trò kép trong các hệ thống "hạt nano kim loại" này. Đầu tiên, chúng ổn định các hạt nano riêng lẻ, ngăn ngừa sự kết tụ không mong muốn. Sự ổn định này thường dựa trên liên kết mạnh mẽ giữa kim loại quý và ligand thiol. Thứ hai, ligand quyết định các đặc tính hóa học bề mặt của hạt, từ đó điều khiển các tương tác giữa các hạt nano. Bằng cách lựa chọn ligand có chủ đích, các nhà nghiên cứu có thể định hướng quá trình "vật liệu nano tự lắp ráp". Điều này cho phép tạo ra các siêu cấu trúc với cấu hình được kiểm soát. Sự kiểm soát này là thiết yếu để đạt được các "tính chất quang điện tử" và khả năng vận chuyển điện tử mong muốn.

2.3. Đặc trưng Cấu trúc Nano riêng lẻ

Việc đặc trưng kỹ lưỡng các "hạt nano kim loại" riêng lẻ là rất quan trọng trước khi lắp ráp. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cung cấp hình ảnh chi tiết về hình thái và kích thước của hạt. Đo tán xạ ánh sáng động (DLS) cung cấp thông tin về kích thước thủy động lực học trong dung dịch. Điện thế zeta đánh giá điện tích bề mặt của hạt, một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tương tác tĩnh điện. Quang phổ UV-vis được sử dụng để xác định các "tính chất quang điện tử" ban đầu và sự hiện diện của "plasmon cộng hưởng bề mặt (LSPR)" trên các hạt riêng lẻ. Những phân tích này đảm bảo chất lượng và tính nhất quán của các khối xây dựng cho "vật liệu nano tự lắp ráp".

III.Khám phá Plasmonics trong Siêu cấu trúc Nano

Phần nghiên cứu này tập trung vào việc khám phá hiện tượng "Plasmonics" trong các "siêu cấu trúc nano kim loại". Các "cấu trúc nano plasmonic" này thể hiện các hiệu ứng quang học độc đáo và mạnh mẽ, phát sinh từ "tương tác ánh sáng-vật chất" ở quy mô nano. Một trong những hiện tượng chính được điều tra là "plasmon cộng hưởng bề mặt (LSPR)". Luận án nghiên cứu cách LSPR bị ảnh hưởng bởi sự sắp xếp và cấu hình của các "hạt nano kim loại" trong siêu cấu trúc. Sự hiểu biết sâu sắc về các tương tác này là cần thiết để thiết kế và chế tạo "siêu vật liệu quang học" với các chức năng tùy chỉnh. Việc điều khiển các tính chất plasmonic mở ra cơ hội cho các ứng dụng từ "cảm biến plasmonic" đến các thiết bị quang học mới.

3.1. Hiện tượng Plasmon Cộng hưởng Bề mặt LSPR

LSPR là một hiện tượng quang học xảy ra khi ánh sáng tương tác với các "hạt nano kim loại" hoặc cấu trúc kim loại ở quy mô nano. Electron dẫn trong kim loại dao động tập thể, tạo ra một sự cộng hưởng mạnh mẽ. Hiện tượng này dẫn đến sự tăng cường trường điện từ cục bộ đáng kể và hấp thụ ánh sáng mạnh ở các bước sóng cụ thể. LSPR cực kỳ nhạy cảm với các yếu tố như hình dạng, kích thước, thành phần và môi trường dielectric xung quanh các "hạt nano kim loại". Sự hiểu biết và kiểm soát LSPR là rất quan trọng cho việc thiết kế "cấu trúc nano plasmonic" cho các ứng dụng như "cảm biến plasmonic", tăng cường quang phổ và "siêu vật liệu quang học".

3.2. Ảnh hưởng của Cấu trúc đến Phản ứng Quang học

Cấu trúc không gian của "siêu cấu trúc nano kim loại" có ảnh hưởng sâu sắc đến phản ứng quang học của chúng. Sự sắp xếp tương đối của các "hạt nano kim loại", khoảng cách giữa chúng và định hướng trong không gian đều đóng vai trò quan trọng. Những yếu tố này ảnh hưởng đến "tương tác ánh sáng-vật chất" tổng thể, đặc biệt là thông qua sự ghép nối của các plasmon từ các hạt liền kề. Sự ghép nối plasmon có thể dịch chuyển và làm rộng đỉnh LSPR, tạo ra các tính chất quang học mới. Bằng cách kiểm soát cẩn thận quá trình "vật liệu nano tự lắp ráp", các nhà nghiên cứu có thể điều chỉnh các "cấu trúc nano plasmonic" để đạt được các tính chất hấp thụ, tán xạ và truyền ánh sáng mong muốn, mở đường cho "siêu vật liệu quang học" tiên tiến.

3.3. Phương pháp Phân tích Quang phổ UV Vis

Quang phổ UV-vis là một công cụ phân tích không thể thiếu để đặc trưng các "tính chất quang điện tử" của "siêu cấu trúc nano kim loại". Phương pháp này được sử dụng để theo dõi sự hình thành các tập hợp hạt nano trong dung dịch, cũng như các tính chất ổn định của chúng. Sự thay đổi trong phổ hấp thụ, đặc biệt là sự dịch chuyển và mở rộng của đỉnh "plasmon cộng hưởng bề mặt (LSPR)", cung cấp bằng chứng trực tiếp về sự hình thành các siêu cấu trúc. Phân tích UV-vis cho phép định lượng sự ghép nối plasmon và đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố cấu trúc. Dữ liệu quang phổ này là then chốt để xác nhận sự thành công của quá trình "vật liệu nano tự lắp ráp" và hiểu rõ các "cấu trúc nano plasmonic" được hình thành.

IV.Dẫn truyền Điện tử Màng Nano Tự lắp ráp

Phần luận án này tập trung vào các quá trình "dẫn truyền điện tử" trong các màng nano "vật liệu nano tự lắp ráp". Mục tiêu là hiểu rõ cách electron di chuyển qua các cấu trúc được chế tạo ở quy mô nano. Nghiên cứu này phân tích các "tính chất quang điện tử" từ góc độ dẫn điện, cung cấp cái nhìn sâu sắc về chức năng của các thiết bị nano. Luận án bao gồm việc nghiên cứu hai hệ thống màng nano tự lắp ráp riêng biệt. Một trong số đó là một cấu trúc chuyển mạch quang đáp, sử dụng "hạt nano kim loại" và các phân tử quang đồng phân hóa. Các kết quả có ý nghĩa quan trọng cho việc phát triển các thiết bị điện tử và quang điện tử nano hiệu quả.

4.1. Đo đạc Tính chất Điện với Kính hiển vi Điện hóa SECM

Kính hiển vi điện hóa quét (SECM) là kỹ thuật chính được sử dụng để đặc trưng các "tính chất điện tử" của các màng nano. SECM cho phép đo đạc dẫn truyền electron ở cấp độ cục bộ, cung cấp thông tin chi tiết về các đặc tính điện của các hệ thống "vật liệu nano tự lắp ráp". Công cụ này là không thể thiếu để phân tích các cơ chế "dẫn truyền điện tử" qua các lớp phân tử và các cụm "hạt nano kim loại". Dữ liệu từ SECM giúp đánh giá hiệu quả của các màng nano tự lắp ráp và xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ dẫn điện của chúng. Phương pháp này cung cấp cái nhìn sâu sắc quan trọng cho việc thiết kế các thiết bị nano chức năng.

4.2. Dẫn truyền Điện tử trong Màng Đơn Lớp

Luận án nghiên cứu "dẫn truyền điện tử" trong các màng đơn lớp tự lắp ráp đầu tiên. Các màng này bao gồm các phân tử được sắp xếp trên bề mặt, tạo thành một lớp chức năng ở quy mô nano. Việc phân tích sự di chuyển của electron qua các màng đơn lớp này cung cấp hiểu biết cơ bản về cơ chế truyền tải ở giao diện. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả dẫn điện, như cấu trúc phân tử và mật độ đóng gói, được xác định. Nghiên cứu này đóng góp vào sự hiểu biết về cách thiết kế các "vật liệu nano tự lắp ráp" để tối ưu hóa "tính chất quang điện tử" và khả năng vận chuyển điện tử.

4.3. Ứng dụng cho Chuyển mạch Nano Quang đáp

Một khía cạnh quan trọng của nghiên cứu là việc lắp ráp và đặc trưng một cấu trúc chuyển mạch nano quang đáp. Cấu trúc này được xây dựng từ "hạt nano kim loại" và các phân tử azobenzene quang đồng phân hóa. Azobenzene có khả năng thay đổi cấu hình khi tiếp xúc với ánh sáng. Sự thay đổi cấu hình này ảnh hưởng đến "tính chất quang điện tử" và khả năng "dẫn truyền điện tử" của toàn bộ hệ thống. Phát triển một thiết bị chuyển mạch nano như vậy có ý nghĩa lớn cho các "cảm biến plasmonic" điều khiển bằng ánh sáng và các thiết bị quang điện tử có thể lập trình. Nó thể hiện khả năng tạo ra các chức năng động ở quy mô nano thông qua "vật liệu nano tự lắp ráp".

V.Ứng dụng Tiềm năng Cảm biến Siêu Vật liệu Quang

Luận án này vạch ra một lộ trình rõ ràng cho các ứng dụng công nghệ tương lai của "siêu cấu trúc nano kim loại tự lắp ráp". Các phát hiện cung cấp một nền tảng vững chắc cho việc phát triển các "cảm biến plasmonic" có độ nhạy cao và "siêu vật liệu quang học" với các chức năng chưa từng có. Sự kết hợp giữa "tương tác ánh sáng-vật chất" được kiểm soát và khả năng của "vật liệu nano tự lắp ráp" là chìa khóa cho sự đổi mới. Nghiên cứu này không chỉ làm sâu sắc thêm hiểu biết cơ bản về các quá trình nano mà còn thúc đẩy việc tạo ra các thiết bị thực tế. Tiềm năng ứng dụng rộng lớn, từ y sinh đến điện tử quang học, được nhấn mạnh.

5.1. Thiết bị Chuyển mạch Nano Quang đáp

Thiết bị chuyển mạch nano quang đáp là một minh chứng cụ thể cho tiềm năng của "vật liệu nano tự lắp ráp". Thiết bị này khai thác khả năng quang đồng phân hóa của phân tử azobenzene. Khi được chiếu sáng, azobenzene thay đổi cấu hình, tạo ra sự thay đổi trong "tính chất quang điện tử" của hệ thống "hạt nano kim loại". Sự chuyển đổi này cho phép kiểm soát chức năng của thiết bị bằng ánh sáng, mở ra cơ hội cho các ứng dụng trong quang học và điện tử. Sự phát triển này thể hiện khả năng tạo ra các thiết bị thông minh, có khả năng phản ứng, dựa trên sự sắp xếp tự phát của các thành phần nano.

5.2. Phát triển Cảm biến Plasmonic hiệu suất cao

Các "siêu cấu trúc nano kim loại" tự lắp ráp cung cấp một nền tảng lý tưởng để phát triển "cảm biến plasmonic" hiệu suất cao. "Plasmon cộng hưởng bề mặt (LSPR)" của các "cấu trúc nano plasmonic" này cực kỳ nhạy cảm với những thay đổi nhỏ trong môi trường dielectric xung quanh. Đặc tính này có thể được khai thác để phát hiện các phân tử mục tiêu ở nồng độ rất thấp. Khả năng điều chỉnh cấu trúc và thành phần của "vật liệu nano tự lắp ráp" cho phép tùy chỉnh cảm biến cho các ứng dụng cụ thể, từ chẩn đoán y tế đến giám sát môi trường. Nghiên cứu cung cấp kiến thức cần thiết để thiết kế các cảm biến chính xác và đáng tin cậy.

5.3. Định hướng Nghiên cứu Siêu vật liệu Quang học

Luận án này mở rộng ranh giới của "siêu vật liệu quang học" bằng cách sử dụng các nguyên tắc "vật liệu nano tự lắp ráp". Các siêu vật liệu quang học là vật liệu nhân tạo với các tính chất quang học không có trong tự nhiên. Bằng cách kiểm soát sự sắp xếp của "hạt nano kim loại" và các "cấu trúc nano plasmonic", các nhà nghiên cứu có thể điều chỉnh cách vật liệu tương tác với ánh sáng. Sự hiểu biết sâu sắc về "tương tác ánh sáng-vật chất" và "tính chất quang điện tử" trong các hệ thống này là cơ sở để thiết kế các siêu vật liệu với chiết suất âm, tàng hình hoặc các chức năng quang học tiên tiến khác. Hướng nghiên cứu này có tiềm năng biến đổi các công nghệ quang học hiện có.

Xem trước tài liệu
Tải đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Doctoral dissertation optical and electrical interaction in self assembled metal nanoparticle superstructures 2008 p 72

Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung

Tải đầy đủ (72 trang)

Trích đoạn nội dung luận án

Tải xuống để đọc toàn bộ

TKK Dissertations 120 Espoo 2008 OPTICAL AND ELECTRICAL INTERACTIONS IN SELF-ASSEMBLED METAL NANOPARTICLE SUPERSTRUCTURES Doctoral Dissertation Päivi Ahonen Helsinki University of Technology Faculty of Chemistry and Materials Sciences Department of Chemistry TKK Dissertations 120 Espoo 2008 OPTICAL AND ELECTRICAL INTERACTIONS IN SELF-ASSEMBLED METAL NANOPARTICLE SUPERSTRUCTURES Doctoral Dissertation Päivi Ahonen Dissertation for the degree of Doctor of Science in Technology to be presented with due permission of the Faculty of Chemistry and Materials Sciences for public examination and debate in Auditorium KE2 (Komppa Auditorium) at Helsinki University of Technology (Espoo, Finland) on the 23rd of May, 2008, at 12 noon. Helsinki University of Technology Faculty of Chemistry and Materials Sciences Department of Chemistry Teknillinen korkeakoulu Kemian ja materiaalitieteiden tiedekunta Kemian laitos Distribution: Helsinki University of Technology Faculty of Chemistry and Materials Sciences Department of Chemistry P. Box 6100 FI - 02015 TKK FINLAND URL: http://www.fi/Units/PhysicalChemistry/ Tel. +358-9-451 2572 Fax +358-9-451 2580 E-mail: Paivi.fi © 2008 Päivi Ahonen ISBN 978-951-22-9361-2 ISBN 978-951-22-9362-9 (PDF) ISSN 1795-2239 ISSN 1795-4584 (PDF) URL: http://lib.fi/Diss/2008/isbn9789512293629/ TKK-DISS-2467 Multiprint Oy Espoo 2008 AB ABSTRACT OF DOCTORAL DISSERTATION HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY P.

BOX 1000, FI-02015 TKK http://www.fi Author Päivi Ahonen Name of the dissertation Optical and Electrical Interactions in Self-Assembled Metal Nanoparticle Superstructures Manuscript submitted 12.2008 Manuscript revised Date of the defence 23.2008 Monograph X Article dissertation (summary + original articles) Faculty Faculty of Chemistry and Materials Science Department Department of Chemistry Field of research Physical Chemistry Opponent(s) Professor Jens Ulstrup Supervisor Professor Kyösti Kontturi (Instructor) Abstract Self-assembly of molecules and supramolecules is one of the fundamental phenomena in chemistry, physics, biology and material science. For example biological systems, like lipid bilayers of cell membranes and tertiary protein structures are formed by spontaneous self-assembly. Conformation and properties of these assemblies can be affected by changing the local environment of the structures. In the case of biological molecules, such an example would be protonation or deprotonation by changes in pH.

When changing the conformation, one often changes the collective properties of the molecular assemblies. In this thesis, the formation of functional nanoscale devices is approached from the self-assembly of molecules and metallic monolayer capped nanoparticles into superstructures consisting of numerous nanoparticles. Stabilisation of the individual nanosized particles is based on bonding between noble metals and thiol ligands. The desired chemical characteristics and functionality of the nanoparticles is achieved by choosing the capping ligand layer and thus, directing the interactions between the nanoparticles.

Both formation and functionality of the superstructures are studied in this thesis. Syntheses of silver and gold nanoparticles capped with different ligands are included. Both the individual nanoparticles and the colloidal superstructures formed by them were characterised by transmission electron microscopy (TEM), dynamic light scattering (DLS), zeta-potential measurements and UV-vis spectroscopy. Characterisation of the electrical properties of the self-assembled structures were carried out by scanning electrochemical microscopy (SECM).

The thesis is divided in three parts, considering first the formation of colloidal nanoparticle superstructures in solution, then a photoresponsive switching nanoparticle structure and finally electron transport processes in nanoscale films. In the first part, formation of nanoparticle aggregates via chemical and electrostatic interactions are studied. The second part consists of assembly and characterisation of a nanoswitch built from nanoparticles and photoisomerisable azobenzene molecules. In the last section of the thesis, electron transport processes in two self-assembled nanoscale films are studied with SECM.

The first system is a molecular self-assembled monolayer and the second a film consisting of gold nanoparticles. Keywords Nanoparticles, self-assembled monolayers, SECM, molecular switches ISBN (printed) 978-951-22-9361-2 ISSN (printed) 1795-2239 ISBN (pdf) 978-951-22-9362-9 ISSN (pdf) 1795-4584 Language English Number of pages 68 p. Publisher Department of Chemistry Print distribution Department of Chemistry X The dissertation can be read at http://lib.fi/Diss/2008/isbn9789512293629/ AB VÄITÖSKIRJAN TIIVISTELMÄ TEKNILLINEN KORKEAKOULU PL 1000, 02015 TKK http://www.fi Tekijä Päivi Ahonen Väitöskirjan nimi Optiset ja sähköiset vuorovaikutukset itsejärjestäytyneissä nanopartikkelirakenteissa Käsikirjoituksen päivämäärä 12.2008 Korjatun käsikirjoituksen päivämäärä Väitöstilaisuuden ajankohta 23.2008 Monografia X Yhdistelmäväitöskirja (yhteenveto + erillisartikkelit) Tiedekunta Kemian ja materiaalitieteiden tiedekunta Laitos Kemian laitos Tutkimusala Fysikaalinen kemia Vastaväittäjä(t) Professori Jens Ulstrup Työn valvoja Professori Kyösti Kontturi (Työn ohjaaja) Tiivistelmä Molekyylien itsejärjestäytyminen eli molekyylirakenteiden spontaani muodostuminen on hyvin keskeinen luonnontieteilijöitä kiinnostava ilmiö. Itsejärjestymistä esiintyy muun muassa biologisissa systeemeissä, esimerkkeinä voidaan pitää vaikkapa lipidien asettumista levymäiseksi kaksikerrosrakenteeksi solukalvon muodostuessa sekä proteiinien tertiäärisiä rakenteita.

Muuttamalla tällaisten molekyylirakenteiden ympäristöä, biologisissa systeemeissä esimerkiksi pH:ta, voidaan molekyylien konformaatiota eli avaruusrakennetta muuttaa. Konformaationmuutokset johtavat tyypillisesti myös molekyylirakenteen kollektiivisten ominaisuuksien muuttumiseen. Tässä väitöskirjassa tutkitaan toiminnallisten nanomittakaavan rakenteiden muodostamista itsejärjestäytymisen avulla. Tutkitut systeemit ovat metallisista, orgaanisella ligandikerroksella stabiloiduista nanopartikkeleista muodostuneita rakenteita.

Ligandikerroksen kemiallinen luonne vaikuttaa rakenteiden muodostumiseen ja toiminnallisuuteen ja se voidaan valita sovellukseen riippuen tilanteeseen sopivaksi. Tutkimuksessa käsitellään sekä yo. rakenteiden muodostumista että niiden toiminnallisia ominaisuuksia. Menetelminä itsejärjestäytyneiden yksikerrosten sekä nanopartikkelisysteemien sähköisten ominaisuuksien tutkimisessa käytettiin sähkökemiallista pyyhkäisymikroskopiaa (SECM).

Optisten ominaisuuksien tutkimisessa käytettiin spektrofotometriaa sekä valonsirontamittauksia (DLS). Sekä yksittäisten nanopartikkelien että niistä muodostuneiden rakenteiden muodosta ja koosta saatiin tietoa transmissioelektronimikroskopian (TEM) ja valonsironnan avulla. Väitöskirjan ensimmäinen osa käsittelee kolloidisten nanopartikkelirakenteiden muodostumista, kun nanopartikkelien välillä on kemiallisia tai sähköstaattisia vuorovaikutuksia. Yhteenvedon toisessa osassa keskitytään optiseen nanokytkimeen, joka on muodostettu sitomalla nanopartikkeleita toisiinsa fotoisomeroituvan atsobentseenijohdannaisen avulla.

Isomeroitumisreaktiossa partikkeleja sitovan molekyylin avaruusrakenne muuttuu, jolloin myös partikkelien välinen etäisyys muuttuu. Väitöskirjan kolmannessa osassa tutkitaan elektroninsiirtoprosesseja kahdessa erityyppisessä nanorakenteessa; atsobentseenijohdannaisen muodostamassa molekulaarisessa yksikerroksessa sekä yksikerroksella stabiloiduista kultaklustereista muodostetussa kerroksessa. Asiasanat Nanopartikkelit, itsejärjestäytyneet yksikerrokset, SECM, molekyylikytkimet ISBN (painettu) 978-951-22-9361-2 ISSN (painettu) 1795-2239 ISBN (pdf) 978-951-22-9362-9 ISSN (pdf) 1795-4584 Kieli Englanti Sivumäärä 68 s. Julkaisija Kemian laitos Painetun väitöskirjan jakelu Kemian laitos X Luettavissa verkossa osoitteessa http://lib.fi/Diss/2008/isbn9789512293629/ Preface The research presented in this doctoral thesis was carried out at the Laboratory of Physical Chemistry and Electrochemistry, Helsinki University of Technology be- tween January 2005 and February 2008.

A period of four months in spring 2005 was spent at the University of Valencia. The work was financially supported by the Kemira foundation and the European Commission. First, I would like to express my gratitude to my supervisor Prof. Kyösti Kontturi and all the co-authors of the publications included in this thesis.

Special acknowledgements go to Prof. Schiffrin for sharing priceless pieces of his experience and to Dr. Timo Laaksonen for giving his great support during this time. Virginia Ruiz, Dr.

Peter Liljeroth, Dr. Christoffer Johans, Antti Nykänen, Prof. Janne Ruokolainen and Dr. Jerzy Paprotny are to be acknowledged for their contribution to this thesis.

I would like to thank Dr. Lasse Murtomäki for teaching me the basic knowledge on physical chemistry, Prof. José Manzanares for hosting my stay in Valencia, Hannu Revitzer for making the chemical analysis in some of the studies and Dr. Benjamin Wilson for proof-reading the manuscript of the thesis.

The whole group of researchers, teachers, students and other members of FyKe have earned my compliments for the atmosphere they have created to the laboratory. The discussions and support from the fellow members of FyKe has really made the time spent at the Laboratory of Physical Chemistry and Electrochemistry worth remembering. Finally, I thank my family and friends for supporting me in my choices and their endless patience with me. This thesis was made out of enthusiasm for research and science.

Päivi Ahonen Espoo, February 12th, 2008 i ii Table of Contents List of Abbreviations vi List of Symbols vii 1 Introduction 1 2 Colloidal nanoparticle superstructures via self-assembly 4 2.1 Dithiol induced nanoparticle cluster formation .2 Enhancing the stability of aqueous nanoparticle colloids. 9 3 Building a nanoswitch via self-assembly of nanoparticles 14 3.1 Photoisomerisation of azobenzene derivatised silver nanoparticles .2 Optical properties of nanoparticle clusters at quasi-static region .3 Optical switching of coupled plasmons of Ag-nanoparticles by pho- toisomerisation of an azobenzene ligand. 23 4 Electron transport processes in nano-scale films - characterisation with SECM 26 4.1 Photoswitching electron transport properties of an azobenzene con- taining self-assembled monolayer .2 Electrochemical gating in scanning electrochemical microscopy. 34 5 Conclusions 42 References 44 iii List of Publications This thesis consists of an overview and the following publications which are referred to in the text by their Roman numerals.

Kontturi, Formation of Stable Ag-Nanoparticle Aggregates Induced by Dithiol Cross- Linking, Journal of Physical Chemistry B, 2006, 110(26), 12954-12958. Kontturi, Stability and Elec- trostatics of Mercaptoundecanoic Acid Capped Gold Nanoparticles with Varying Counter-Ion Sizes, ChemPhysChem, 2006, 7(10), 2143-2149. Kontturi, Optical Switch- ing of Coupled Plasmons of Ag-Nanoparticles by Photoisomerisation of an Azobenzene Ligand, Physical Chemistry Chemical Physics, 2007, 9(5), 651-658. Kontturi, Photoswitching Electron Transport Properties of an Azobenzene Containing Thiol-SAM, Physical Chemistry Chemical Physics, 2007, 9(35), 4898-4901.

Quinn, Elec- trochemical Gating in Scanning Electrochemical Microscopy, Journal of Physical Chemistry C, 2008,112(7), 2724-2728. iv Author’s contribution Päivi Ahonen has planned and carried out all the experimental work in publications I, III and IV, apart from the synthesis of azobenzene derivatives. Ahonen corre- sponded also for all theoretical work in publications III and IV. Publication II was planned in collaboration with T.

In publication V, Ahonen carried out the experimental work planned in collaboration with the other authors. Ahonen was actively involved in preparation and writing of each manuscript. Professor Kyösti Kontturi Espoo, February 12th, 2008 v List of Abbreviations CCC Critical coagulation concentration DLS Dynamic light scattering DLVO Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek theory DNA Deoxyribonucleic acid FcMeOH Ferrocenemethanol FcTMA+ Ferrocenetrimethylammonium MPC Monolayer protected cluster MSA Mercaptosuccinic acid MUA Mercaptoundecanoic acid NC Nanocluster NP Nanoparticle PET 2-phenylethylthiol SAM Self-assembled monolayer SECM Scanning electrochemical microscopy SERS Surface enhanced Raman scattering STM Scanning tunneling microscopy TBA Tetrabutylammonium TEA Tetraethylammonium TMA Tetramethylammonium UME Ultramicroelectrode UV-vis Ultraviolet and visible light vi List of Symbols αi Polarisability of species i β Decay constant Γ(r) Radius dependant relaxation constant Γ∞ Bulk relaxation constant Γ+/− Eigenvalue of the aggregate mode ∆z Thickness of the film ε(ω) Dielectric function ε0 Permittivity of vacuum, 8.854 × 10−12 Fm−1 ε1 (ω) Real part of the dielectric function ε2 (ω) Imaginary part of the dielectric function εbulk (ω) Bulk dielectric function εm Dielectric constant of the embedding medium η Viscosity; polarisability of a nanoparticle κ Inverse Debye length Λ Dimensionless kinetic parameter λ Wavelength of light µ Electrochemical potential µ̃ Dimensionless electrochemical potential µeq Equilibrium electrochemical potential µ0 Standard electrochemical potential Σ Dimensionless conductivity σ Conductivity σ∆z Conductance ψ0 Surface potential ωp Plasmon frequency A Correction factor for relaxation constant a Nanoparticle radius AH Hamaker’s constant vii Ci Dimensionless concentration of species i Cabs Absorption cross-section Cext Extinction cross-section Csca Scattering cross-section Cib Dimensionless bulk concentration of species i ci Concentration of species i cb Total bulk concentration cbi Bulk concentration of species i D Nanoparticle diameter Di Diffusion coefficient of species i d Center-to-center particle separation e Elementary charge, 1.602 × 10−19 C E0 Standard potential Eeq Equilibrium potential F Faraday constant, 96485 Cmol−1 h Surface-to-surface particle separation I Current i Dimensionless current Ilim Limiting current ITC Tip current for a conductive substrate ITins Tip current for an insulating substrate ITk Tip current Ji Diffusion flux of species i kB Boltzmann constant, 1.381 × 10−23 JK−1 kET Rate constant of electron transfer Keff Dimensionless effective rate constant keff Effective rate constant K0 Dimensionless standard rate constant k0 Standard rate constant L Dimensionless tip-substrate separation viii me Effective mass of electron N Density of electrons Ñ (ω) Complex refraction index NA Avogadro’s number, 6.022 × 1023 mol−1 nm Refractive index of the embedding medium R Ideal gas constant, 8.314 Jmol−1 K−1 ; dimensionless radial distance RG Dimensionless electrode shape factor r Radius; radial variable re Radius of the electrode rg Total radius of the electrode including the glass sheath T Temperature; dimensionless time t Time Vattr Attractive potential Vrep Repulsive potential vF Fermi velocity Z Dimensionless distance normal to the electrode surface z Distance normal to the electrode surface; number of electrical charges ix 1 Introduction Self-assembly of chemical structures has attracted a great interest throughout the history of nanotechnology. Good examples of self-assembled systems are biological forms like cell membranes where the lipids assemble due to amphiphilic and steric interactions and form a bilayer able to support the interiors of the cell.

Similar spontaneous self-assembly has been applied in nanotechnology to form new struc- tures and the principle is commonly called the ’bottom-up’ approach.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Trích dẫn luận án này

Päivi Ahonen (2008). Tương tác Quang & Điện trong Siêu cấu trúc Nano Kim loại Tự lắp ráp [Luận án tiến sĩ, Helsinki University of Technology]. LuanAn.net. https://luanan.net/tai-lieu-khac/tuong-tac-quang-dien-trong-sieu-cau-truc-nano-kim-loai-tu-lap-rap

Câu hỏi thường gặp

Luận án "Tương tác Quang & Điện trong Siêu cấu trúc Nano Kim loại Tự lắp ráp" nghiên cứu về vấn đề gì?

Luận văn TS 2008: Tương tác quang điện trong siêu cấu trúc hạt nano kim loại tự lắp ráp. Nghiên cứu sâu về cấu trúc vật liệu.

Luận án "Tương tác Quang & Điện trong Siêu cấu trúc Nano Kim loại Tự lắp ráp" được bảo vệ tại trường nào?

Luận án này được bảo vệ tại Helsinki University of Technology. Năm bảo vệ: 2008.

Luận án "Tương tác Quang & Điện trong Siêu cấu trúc Nano Kim loại Tự lắp ráp" thuộc chuyên ngành gì?

Luận án "Tương tác Quang & Điện trong Siêu cấu trúc Nano Kim loại Tự lắp ráp" thuộc chuyên ngành Physical Chemistry. Danh mục: Tài liệu khác.

Luận án "Tương tác Quang & Điện trong Siêu cấu trúc Nano Kim loại Tự lắp ráp" có bao nhiêu trang?

Luận án "Tương tác Quang & Điện trong Siêu cấu trúc Nano Kim loại Tự lắp ráp" có 72 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.

Cách tải luận án "Tương tác Quang & Điện trong Siêu cấu trúc Nano Kim loại Tự lắp ráp" về máy như thế nào?

Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.

Luận án liên quan

Chia sẻ tài liệu: Facebook Twitter