Name: Synthesizing Metal Nanoparticles and Nanostructures Using Ultrafast Laser Ablation
Uploaded: 2023-06-16T14:20:00
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synthesizing metal nanoparticles and nanostructures using ultrafast laser ablation

Synthese von Nanopartikeln und Nanostrukturen mittels Laserablation

Ultrafast laser ablation is a rapidly evolving field of laser-material interactions. High-intensity laser pulses with pulse durations in the femtosecond (fs) to picosecond (ps) range are used to generate precise material ablation. Compared to nanosecond (ns) laser pulses, ps laser pulses can ablate materials with higher precision and accuracy due to their shorter pulse duration. They can generate less collateral damage, debris, and contamination of the ablated material due to fewer thermal effects. However, ps lasers are typically more expensive than ns lasers and need specialized expertise for operation and maintenance. The ultrafast laser pulses enable precise control over the energy deposition, which leads to highly localized and minimized thermal damage to the surrounding material. Additionally, ultrafast laser ablation can lead to the generation of unique nanomaterials (i.e., surfactants/capping agents are not obligatory during the production of nanomaterials). Therefore, we can term this a green synthesis/fabrication method1,2,3. The mechanisms of ultrafast laser ablation are intricate. The technique involves different physical processes, such as (a) electronic excitation, (b) ionization, and (c) the generation of a dense plasma, which results in the ejection of material from the surface4. Laser ablation is a simple single-step process to produce nanoparticles (NPs) with high yield, narrow size distribution, and nanostructures (NSs). Naser et al.5 conducted a detailed review of the factors influencing the synthesis and production of NPs through the laser ablation method. The review covered various aspects, such as the parameters of a laser pulse, focusing conditions, and the ablation medium. The review also discussed their impact on producing a wide range of NPs using the laser ablation in liquid (LAL) method. The laser-ablated nanomaterials are promising materials, with applications in various fields such as catalysis, electronics, sensing, and biomedical, water splitting applications6,7,8,9,10,11,12,13,14.
Surface-enhanced Raman scattering (SERS) is a powerful analytical sensing technique that significantly enhances the Raman signal from probe/analyte molecules adsorbed onto metallic NSs/NPs. SERS is based on the excitation of surface plasmon resonances in metallic NPs/NSs, which results in a significant rise in the local electromagnetic field near the metallic nano-features. This enhanced field interacts with the molecules adsorbed on the surface, significantly enhancing the Raman signal. This technique has been used to detect various analytes, including dyes, explosives, pesticides, proteins, DNA, and drugs15,16,17. In recent years, significant progress has been made in the development of SERS substrates, including the use of differently shaped metallic NPs18,19 (nanorods, nanostars, and nanowires), hybrid NSs20,21 (a combination of the metal with other materials&#160;such as Si22,23, GaAs24, Ti25, graphene26, MOS227, Fe28, etc.), as well as flexible substrates29,30 (paper, cloth, nanofiber, etc.). Developing these new strategies in the substrates has opened up new possibilities for using SERS in various real-time applications.
This protocol discusses the fabrication of Ag NPs using a ps laser at different wavelengths and Ag-Au alloy NPs (with different ratios of Ag and Au targets) fabricated using laser ablation technique&#160;in distilled water. Additionally, silicon micro/nanostructures are created using an fs laser on silicon in the air. These NPs and NSs are characterized using ultraviolet (UV)-visible absorption, transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), and field emission scanning electron microscopy (FESEM). Furthermore, the preparation of SERS substrates and analyte molecules are discussed, followed by the collection of Raman and SERS spectra of the analyte molecules. Data analysis is performed to determine the enhancement factor, sensitivity, and reproducibility of the laser-ablated NPs/NSs as potential sensors. Additionally, typical SERS studies are discussed, and the SERS performance of hybrid substrates is evaluated. Specifically, it has been found that the promising gold nanostars&#39; SERS sensitivity can be enhanced approximately 21 times by using laser-structured silicon instead of plain surfaces (such as Si/glass) as a base.

Autor im Rampenlicht: Fortschritte und Anwendungen in der Nanopartikelsynthese durch Laserablation in Flüssigkeiten 

Ultraschnelle laserabgetragene Nanopartikel und Nanostrukturen für oberflächenverstärkte Raman-Streu-basierte Sensoranwendungen

Laser ablation and liquids technique focuses on synthesizing nanoparticles and nanostructures by ablating a target material in liquid or gas environment, forming ecofriendly nanoparticles without any surfactants. This research scope involves refining the laser parameters, analyzing nanoparticle properties, exploring synthesis mechanisms, and discovering applications in various fields such as catalysis, sensing, electronics, energy storage, and biomedical imaging. Recent developments in laser ablation for nanomaterial fabrication involve tailoring the nanoparticle sizes, shapes, and composition, scalable production methods, hybrid nanomaterial synthesis, and surface functionalization.These advances offer improved stability, extended shelf life, high scalability that is up to few grams per hour, and commercially viable colloidal nanoparticles and surface nanostructures production for diverse applications. In recent times, various other improvisations such as ultrafast vessel beam and vortex beam ablation processes have been implemented to generate exotic nanostructures, as well as nanoparticles, with tuneable shapes, sizes, and topographies. Technologies advancing nanoparticle synthesis via ultrafast laser ablation include molecular dynamic simulations for understanding the formation of these nanoparticles.Precise control for tailoring nanoparticle size, shape, and composition in C.2 TEM characterization and real time monitoring techniques. The experimental challenges involved are automation techniques through improved instrumentation and technology, addressing the initial establishment cost of the laser ablation technique itself, ensuring proper sample preparation, controlling the contamination, and announcing data analysis and interpretation for increased accuracy and reliability of the results. In our laboratory, we have investigated diverse materials such as gold, silver, zinc, titanium, copper, silicone, gallium arsenide, germanium, graphene oxide, Hafnium, and various biome metallic, trimetallic, and plus monoxides.Laser ablation experiments were conducted in different environments using various focusing conditions for precise material processing and nanoparticle synthesis.

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Synthesizing Metal Nanoparticles and Nanostructures Using Ultrafast Laser Ablation  

Synthese von Metallnanopartikeln und Nanostrukturen mittels ultraschneller Laserablation

Wählen Sie zunächst das Zielmaterial und die umgebende Flüssigkeit aus. Führen Sie eine Ultraschallreinigung der Zieloberfläche mit Aceton für 15 Minuten durch, um organische Materialien wie Öle, Fette und Wachse zu entfernen. Unterziehen Sie die Oberfläche einer Ultraschallreinigung mit Ethanol für weitere 15 Minuten, um polare Verunreinigungen wie Salze und Zucker zu entfernen.Reinigen Sie dann die Oberfläche 15 Minuten lang mit deionisiertem Wasser mit Ultraschall, um alle Lösungsmittelreste oder Verunreinigungen von der Oberfläche der Probe zu entfernen. Messen Sie das Gewicht der Probe vor der Ablation und führen Sie dann ein Laserablationsexperiment an der Probe durch. Messen Sie das Gewicht der Probe nach dem Ablationsexperiment erneut.Schätzen Sie die Menge des während des Experiments entfernten Materials, indem Sie das Gewicht der Probe vor und nach der Ablation vergleichen. Als Nächstes stellen Sie die Eingangslaserleistung auf ca. 150 Milliwatt für die Pikosekunden-Laserablation des Silbertargets ein. Kombinieren Sie einen Polarisator und eine Halbwellenplatte, um die Laserpulsenergie einzustellen.Fokussieren Sie den Laserstrahl mit einer Fokussierlinse auf die Probe, um die Materialoberfläche abzutragen. Stellen Sie den Fokus des Lasers auf die Probe manuell mit einem Translationstisch in Z-Richtung ein, während Sie das erzeugte helle Plasma und das von ihm ausgehende Knackgeräusch beobachten. Als nächstes wird eine Fokussieroptik verwendet, um den Laserstrahl auf die Probe zu fokussieren, je nachdem, ob unterschiedliche Ablationstiefen erreicht werden und die Kontrolle über die Synthese von Nanopartikeln und Nanostrukturen verbessert wird.Positionieren Sie die Probe auf dem XY-Tisch, der mit einem ESP-Controller verbunden ist, und stellen Sie sicher, dass sie sich senkrecht zur Laserausbreitungsrichtung bewegt. Passen Sie die Scangeschwindigkeit und den Laserbearbeitungsbereich an, um die Anzahl der Laserpulse zu optimieren, die mit der Probe interagieren. Führen Sie während des Laserablationsprozesses eine Laserstrukturierung durch, während Sie die Probe scannen, um die gewünschten Abmessungen zu erreichen und eine Einzelpunktablation zu verhindern.Führen Sie als Nächstes für die Laserablation in Flüssigkeit ein Laserablationsexperiment durch. Überwachen Sie die Laserleistung und andere Einstellungen, um die Konsistenz zu wahren. Beobachten Sie das Zielmaterial während des Experiments kontinuierlich, um sicherzustellen, dass der Laserstrahl auf den gewünschten Bereich fokussiert bleibt.Die Absorptionsspektren von kolloidalen Silbernanopartikeln zeigten, dass Oberflächenplasmin-Resonanzspitzen bei 420, 394 und 403 Nanometern für verschiedene Laserwellenlängen beobachtet wurden. Die normalisierten Absorptionsspektren von Nanopartikeln aus Silber-Gold-Legierungen mit unterschiedlicher Zusammensetzung zeigten eine Spitzenverschiebung der Oberflächenplasminresonanz von 410 auf 519 Nanometer, während der Goldanteil von null auf 100 stieg.

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Synthesizing Metal Nanoparticles and Nanostructures Using Ultrafast Laser Ablation

Ultrafast Laser-Ablated Nanoparticles and Nanostructures for Surface-Enhanced Raman Scattering-Based Sensing Applications

The technique of ultrafast laser ablation in liquids has evolved and matured over the past decade, with several impending applications in various fields ...