Formation of plasmon-exciton nanostructures based on quantum dots and metal nanoparticles with a nonlinear optical response

Андрей Ильич Звягин; Тамара Андреевна Чевычелова; Алексей Сергеевич Перепелица; Михаил Сергеевич Смирнов; Олег Владимирович Овчинников

doi:10.17308/kcmf.2023.25/11258

Андрей Ильич Звягин ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-1914-9054
Тамара Андреевна Чевычелова ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-8097-0688
Алексей Сергеевич Перепелица ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-1264-0107
Михаил Сергеевич Смирнов ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-8765-0986
Олег Владимирович Овчинников ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-6032-9295

DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2023.25/11258

Ключевые слова: нелинейная рефракция, нелинейное поглощение, квантовая точка, Ag2S, Zn0.5Cd0.5S, плазмонная наночастица, Z-скан

Аннотация

Актуальной задачей является установления условий формирования наноструктур с плазмон-экситонным взаимодействием на основе квантовых точек и плазмонных наночастиц, обеспечивающих уникальные нелинейно-оптические свойства. В работе продемонстрировано формирование плазмон-экситонных наноструктур на основе гидрофильных коллоидных квантовых точек Zn_0.5Cd_0.5S, Ag₂S и наночастиц металлов.
Методами просвечивающей электронной микроскопии и оптической спектроскопии поглощения и люминесценции выполнено обоснование формирования плазмон-экситонных гибридных наноструктур. Фазовый состав исследуемых образцов определяли методом рентгеновской дифракции, результаты полученные на дифрактометре ARLX’TRA (Швейцария), свидетельствуют о кубической кристаллической структуре (F43m) синтезированных квантовых точек Zn_0.5Cd_0.5S и моноклинной (P₂₁/C) кристаллической решетке Ag₂S. Методами просвечивающей электронной микроскопии обнаружено, что плазмонные наночастицы являются центрами адсорбции для квантовых
точек. Определены средние размеры исследуемых образцов коллоидных квантовых точек Ag₂S (2.6 нм), Zn_0.5Cd_0.5S (2.0 нм) и наночастиц металлов: наносферы серебра (10 нм), наностержни золота (4×25 нм). В смесях квантовых точек и плазмонных наночастиц установлена трансформация спектров экстинкции света смесей и тушение люминесценции квантовых точек. Методом Z-сканирования на длинах волн 355 нм и 532 нм в поле наносекундных лазерных импульсов определены нелинейно-оптические параметры исследуемых образцов. Найдены условия формирования гибридных наноструктур, обеспечивающие увеличение до 9 раз коэффициента нелинейного поглощения лазерных импульсов (355 нм и 532 нм) длительностью 10 нс за счет обратного насыщающегося поглощения, происходящего вследствие каскадных двухквантовых переходов на собственных и локальных состояниях коллоидных квантовых точек и подавление нелинейной рефракции.
Наблюдаемые изменения объяснены проявлением эффекта Перселла на состояниях квантовых точек в присутствии нанорезонаторов (наностержней золота и серебряных наносфер). Результаты данных исследований создают новые возможности для разработки оригинальных систем управления интенсивностью лазерного излучения, а также квантовых сенсоров нового поколения.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Андрей Ильич Звягин, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

к. ф.-м. н., преподаватель кафедры оптики и спектроскопии, Воронежский
государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Тамара Андреевна Чевычелова, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

аспирант кафедры оптики и спектроскопии, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Алексей Сергеевич Перепелица, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

к. ф.-м. н., старший преподаватель кафедры оптики и спектроскопии, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Михаил Сергеевич Смирнов, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

д. ф.-м. н., доцент, доцент кафедры оптики и спектроскопии, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Олег Владимирович Овчинников, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

д. ф.-м. н., профессор, декан физического факультета, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация).

Литература

Cao E., Lin W., Sun M., Liang W., Song Yi. Exciton-plasmon coupling interactions: from principle to applications. Nanophotonics. 2018;7(1): 145–167. https://doi.org/10.1515/nanoph-2017-0059

Ke L., Katsnelson M. I. Electron correlation effects on exchange interactions and spin excitations in 2D van der Waals materials. npj Computational Materials. 2021;7(4): 1–8. https://doi.org/10.1038/s41524-020-00469-2

De Vera P., Abril I., Garcia-Molina R. Excitation and ionisation cross-sections in condensed-phase biomaterials by electrons down to very low energy: application to liquid water and genetic building blocks. Physical Chemistry Chemical Physics. 2021;23: 5079–5095. https://doi.org/10.1039/d0cp04951d

Yadav R. K., Aneesh J., Sharma R., … Adarsh K. V. Designing hybrids of graphene oxide and gold nanoparticles for nonlinear optical response. Physical Revied Applied. 2008;9(4): 044043(10). https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.9.044043

Davoodi F., Talebi N. Plasmon-exciton interactions in nanometer-thick gold-WSe2 multilayer structures: implications for photodetectors, sensors, and light-emitting devices. ACS Applied Nano Materials. 2021;4(6): 6067–6074. https://doi.org/10.1021/acsanm.1c00889

Kholmicheva N., Royo Romero L., Cassidy J., Zamkov M. Prospects and applications of plasmon-exciton nteractions in the near-field regime. Nanophotonics. 2019;8(4): 613–628. https://doi.org/10.1515/nanoph-2018-0143

Hu S., Ren Y., Wang Y., … Tang Y. Surface plasmon resonance enhancement of photoluminescence intensity and

bioimaging application of gold nanorod@CdSe/ZnS quantum dots. Beilstein Journal of Nanotechnology, 2019;10: 22–31. https://doi.org/10.3762/bjnano.10.3

Danilov V. V., Panfutova A. S., Khrebtov A. I., Ambrosini S., Videnichev D. A. Optical limiting as result a of photoinduced electron transfer in hybrid systems with CdSe/ZnS quantum dots, C60, and Perylene. Optics Letters. 2012;37(19): 3948–3950. https://doi.org/10.1364/OL.37.003948

Zvyagin A. I., Perepelitsa A. S., Ovchinnikov O. V., Smirnov M. S., Ganeev R. A. Nonlinear optical properties of associates of erythrosine molecules and gold nanoparticles. Materials Research Express. 2019;6: 1150c8. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab4e2a

Ovchinnikov O. V., Smirnov M. S., Chevychelova T. A., Zvyagin A. I., Selyukov A. S. Nonlinear absorption enhancement of Methylene Blue in the presence of Au/SiO2 core/shell nanoparticles. Dyes and Pigments. 2022;197: 109829. https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2021.109829

Jana N. R., Gearheart L., Murphy C. J. Seedmediated growtha for shape-controlled synthesis of spheroidal and rod-like gold nanoparticles using a surfactant template. Advanced Materials. 2001;13(18): 1389–1393. https://doi.org/10.1002/1521-4095(200109)13:18<1389::aid-adma1389>3.0.co;2-f

Frank A. J., Cathcart N., Maly K. E., Kitaev V. Synthesis of silver nanoprisms with variable size and investigation of their optical properties: a first-year undergraduate experiment exploring plasmonic nanoparticles. Journal of Chemical Education, 2010;87(10): 1098–1101. https://doi.org/10.1021/ed100166g

Sheik-Bahae M., Hutchings D. C., Hagan D. J., Van Stryland E. W. Dispersion of bound electron nonlinear refraction in solids. IEEE Journal of Quantum Electronics. 1991;27: 1296-1309, https://doi.org/10.1109/3.89946

Amendola V., Pilot R., Frasconi M., Marago O. M, Iati M. A. Surface plasmon resonance in gold nanoparticles: a review. Journal of Physics: Condensed Mat ter. 2017; 29: 203002 (48). https://doi.org/10.1088/1361-648X/aa60f3

Grevtseva I. G. , Chev ychelova T. A. , Derepko V. N., Ovchinnikov O. V., Smirnov M. S., Perepelitsa A. S., Parshina A. S. Spectral manifestations of the exciton-plasmon interaction of Ag2S quantum dots with silver and gold nanoparticles. Condensed Matter and Interphases. 2021;23(1): 25–31. https://doi.org/10.17308/kcmf.2021.23/3294

Daniel M. C., Astruc D. Gold nanoparticles: assembly, supramolecular chemistry, quantum-sizerelated properties, and applications toward biology, catalysis, and nanotechnology. Chemical Reviews. 2004;104(1): 293–346. https://doi.org/10.1021/cr030698+

Durach M., Rusina A., Stockman M. I., Nelson K. Toward full spatiotemporal control on the nanoscale. Nano Letters. 2007;7(10): 3145–3149. https://doi.org/10.1021/nl071718g

Komarala V. K., Rakovich Yu. P., Bradley A. L. Off-resonance surface plasmon enhanced spontaneous emission from CdTe quantum dots. Applied Physics Letters. 2006; 89(25): 253118. https://doi.org/10.1063/1.2422906

Gong H. M., Wang X. H., Du Y. M., Wang Q. Q. Optical nonlinear absorption and refraction of CdS and CdS-Ag core-shell quantum dots. The Journal of Chemical Physics. 2006;125(2): 024707. https://doi.org/10.1063/1.2212400

Ovchinnikov O. V., Smirnov M. S., Grevtseva I. G., … Kondratenko T. S. Luminescent properties of colloidal mixtures of Zn0.5Cd0.5S quantum dots and gold nanoparticles. Condensed Matter and Interphases. 2021;23(1): 49–55. https://doi.org/10.17308/kcmf.2021.23/3302

Ganeev R. A., Ryasnyansky A. I., Tugushev R. I., Usmanov T. Investigation of nonlinear refraction and nonlinear absorption of semiconductor nanoparticle solutions prepared by laser ablation. Journal of Optics A: Pure and Applied Optics 2003;5(4): 409–417. https://doi.org/10.1088/1464-4258/5/4/317

Chang Q., Gao Y., Liu X., Chang C. Nonlinear properties of water-soluble Ag2S and PbS quantum dots under picosecond laser pulses. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2018;186(4): 012076. https://doi.org/10.1088/1755-1315/186/4/012076

Kondratenko T. S., Zvyagin A. I., Smirnov M. S., Grevtseva I. G., Perepelitsa A. S., Ovchinnikov O. V. Luminescence and nonlinear optical properties of colloidal Ag2S quantum dots. Journal of Luminescence. 2019;208: 193–200. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2018.12.042

Zvyagin A. I., Chevychelova T. A., Chirkov K. S., Smirnov M. S., Ovchinnikov O. V. Nonlinear optical properties of colloidal PbS and Ag2S quantum dots passivated with 2-mercaptopropionic acid. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2022;86: 1183–1187. https://doi.org/10.3103/S1062873822100264

Smirnov M. S., Ovchinnikov O. V., Zvyagin A. I., … Pham H. M. Transient absorption dynamics and nonlinear optical response in colloidal Ag2S quantum dots. Optics and Spectroscopy. 2022;130(3): 224–231. https://doi.org/10.1134/S0030400X22030146

Chevychelova T. A., Zvyagin A. I., Perepelitsa A. S., Ovchinnikov O. V., Smirnov M. S., Selyukov A. S. Role of photoinduced destruction of gold nanorods in the formation of nonlinear optical response. Optik. 2022;250(2): 168352, https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2021.168352

Liu X., Guo S., Wang H., Hou L. Theoretical study on the closed-aperture Z-scan curves in the materials with nonlinear refraction and strong nonlinear absorption. Optics Communications. 2001;197(4-6): 431–437. https://doi.org/10.1016/s0030-4018(01)01406-7