Наноструктуры «ядро-оболочка»

К наноструктурам «ядро-оболочка» относятся:

- гетероэпитаксиальные полупроводниковвые структуры химический состав ядра и оболочки которых различен, но при этом они имеют сходные кристаллическую структуру и постоянную решетки. Таким образом, образование материала оболочки на поверхности растущего ядра нанометрового размера приводит к формированию частицы, с неодинаковым химическим составом.

- структуры «ядро-оболочка» часто могут иметь совершенно различную кристаллическую структуру. Например, одна может быть монокристаллом, а другая – аморфной.

- физические свойства ядра и оболочки также часто значительно отличаются один от другого: ядро может быть металлическим, а оболочка – диэлектриком.

Более того, процессы синтеза ядра и оболочки в каждой структуре «ядро-оболочка» существенно различаются: различные структуры «ядро-оболочка» могут быть получены различными методами, такими, как нанесение покрытия, самосборка, отложение из паровой фазы.

Ниже обсуждение будет сосредоточено, в основном, на структурах ядро-оболочка новейших металл-оксидных, металл-полимерных и оксид-полимерных систем, получаемых, главным образом, методами растворения.

Металло-оксидные структуры: В качестве примера для иллюстрации типичных экспериментальных способов получения структур возьмем систему золото-диоксид кремния. Поверхность золота имеет очень малое электростатическое притяжение к диоксиду кремния, поскольку золото не образует пассивирующего оксидного слоя в растворе и, таким образом, образования слоя диоксида кремния непосредственно на поверхности частицы происходить не будет. Более того, обычно на поверхности адсорбируются органические монослои для стабилизации частиц и предотвращения коагуляции. Эти стабилизаторы делают поверхность золота кварцефобной.

Для стабилизации наночастиц золота могут быть использованы различные производные тиоспиртов и аминоспиртов. Однако, при образовании структур «ядро-оболочка», стабилизаторы необходимы не только для стабилизации наночастиц золота путем формирования монослоев на поверхности, но также и для взаимодействия с оболочкой диоксида кремния.

Один из подходов в решении этой проблемы состоит в использовании органических стабилизаторов с двумя функциями на разных концах. Один конец будет связан с поверхностью частицы золота, а другой - с оболочкой диоксида кремния. Простейший путь образовать связь с диоксидом кремния заключается в применении подходящих силановых препаратов Наиболее широко в качестве комплексного препарата для связи золотого ядра и оболочки из диоксида кремния используется 3-аминопропил - триметоксисилан (АПС).

Основные этапы изготовления структур «ядро-оболочка» - золото – диоксид кремния: обычно методика включает три стадии. Первая стадия – формирование золотого ядра с заданными размерами частиц, и их распределением. Вторая стадия - модификация поверхности частицы золота от стеклофобной к стеклофильной путем введения органических монослоев. Третья стадия включает отложение оксидной оболочки.

Слой диоксида кремния толщиной 2-4 нм образуется на модифицированной поверхности наночастиц золота. При этом идет медленная реакция конденсации или полимеризации за счет регулирования рН таким образом, чтобы образовался тонкий, плотный и относительно гомогенный слой диоксида кремния вокруг наночастицы золота. Дальнейший рост слоя диоксида кремния достигался перемещением наноструктур «ядро-оболочка» в раствор этанола и регулированием условий роста так, чтобы дальнейший рост слоя диоксида кремния преимущественно протекал по диффузионному режиму, который часто называют методом Стобера.