[論文レビュー] <i>In Situ</i> Photothermal Response of Single Gold Nanoparticles through Hyperspectral Imaging Anti-Stokes Thermometry

Mariano Barella, Ianina L. Violi+11 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2020

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ナノ粒子の特性や環境についての事前知識が不要な、ラベルフリーでイン・サイドのアントイ・ストークス超スペクトルイメージング熱測定法を導入し、個々の金ナノ粒子の光熱応答を測定した。この手法により、水中における50 nm以上の金ナノ粒子の熱拡散は周囲の媒体に支配されていることが明らかになった。また、界面熱抵抗が温度に顕著な影響を及ぼすことが示され、80 nmのナノ粒子では、グラフェン上ではガラス上よりも24%高い温度に達する。これは、グラフェンの高い熱伝導性にもかかわらず、熱的接触が不十分であるためである。

ABSTRACT

Several fields of applications require a reliable characterization of the photothermal response and heat dissipation of nanoscopic systems, which remains a challenging task both for modeling and experimental measurements. Here, we present a new implementation of anti-Stokes thermometry that enables the in situ photothermal characterization of individual nanoparticles (NPs) from a single hyperspectral photoluminescence confocal image. The method is label-free, applicable to any NP with detectable anti-Stokes emission, and does not require any prior information about the NP itself or the surrounding media. With it, we first studied the photothermal response of spherical gold NPs of different sizes on glass substrates, immersed in water, and found that heat dissipation is mainly dominated by the water for NPs larger than 50 nm. Then, the role of the substrate was studied by comparing the photothermal response of 80 nm gold NPs on glass with sapphire and graphene, two materials with high thermal conductivity. For a given irradiance level, the NPs reach temperatures 18% lower on sapphire and 24% higher on graphene than on bare glass. The fact that the presence of a highly conductive material such as graphene leads to a poorer thermal dissipation demonstrates that interfacial thermal resistances play a very significant role in nanoscopic systems, and emphasize the need for in situ experimental thermometry techniques. The developed method will allow addressing several open questions about the role of temperature in plasmon-assisted applications, especially ones where NPs of arbitrary shapes are present in complex matrixes and environments.

研究の動機と目的

• 個々のプラズモニックナノ粒子の信頼性の高いラベルフリーなイン・サイド光熱特性評価法の開発を目的とする。
• 空間分解能が不足するか、侵襲的な手法である従来の熱測定技術の限界を克服することを目的とする。
• 周囲の媒体および基板が金ナノ粒子からの熱拡散に与える影響を調査することを目的とする。
• 異なる基板上における界面熱抵抗がナノ粒子の光熱応答に及ぼす影響を定量化することを目的とする。
• プラズモン支援応用に関連する複雑な環境においても、正確な温度マッピングを可能とすることを目的とする。

提案手法

• 超スペクトルコアクシャルイメージングシステムを用いて、レーザー照射下における個々の金ナノ粒子からの光励起発光を捕捉する。
• 温度依存のスペクトルシフト解析を用い、アントイ・ストークス発光強度比から局所温度を決定する。
• 本手法はナノ粒子や周囲の媒体についての事前知識を必要とせず、検出可能なアントイ・ストークス発光を示す任意のナノ粒子への汎用的応用が可能である。
• 光学プリントを用いて、電荷相互作用を制御した状態で個々のナノ粒子を基板（ガラス、サファイア、グラフェン）上に配置する。
• PID制御加熱ステージを用い、複数の温度点で超スペクトル画像を取得し、自動データ取得を実施する。
• 外部プローブに依存しない、アントイ・ストークス発光比の既知の温度依存性を用いた温度キャリブレーションを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水中環境下における個々の金ナノ粒子の光熱応答は、粒子サイズにどのように依存するか？
• RQ2 水中で50 nm以上の大きさの金ナノ粒子の熱拡散の主な経路は何か？
• RQ3 熱伝導度が異なるさまざまな基板が、単一ナノ粒子の局所温度にどのように影響を与えるか？
• RQ4 グラフェンのような高熱伝導性材料のバルク熱伝導度が高くても、界面熱抵抗がナノスケール系の熱伝達を支配する程度はどの程度か？
• RQ5 アントイ・ストークス超スペクトルイメージングは、外部プローブやシステムに関する仮定なしに、正確でイン・サイドの温度マッピングを可能とするか？

主な発見

• 水中で50 nm以上の金ナノ粒子では、熱拡散が主に周囲の水性媒体によって支配されている。
• サファイア基板上では、同じ照射強度下で、バーミルガラス上に比べて80 nmの金ナノ粒子が18%低い温度に達する。これは熱伝導度が高いためである。
• グラフェンコーティングガラス上では、80 nmの金ナノ粒子がバーミルガラス上に比べて24%高い温度に達する。これは、グラフェンの高い熱伝導性にもかかわらず、界面熱抵抗が顕著であることを示している。
• 本手法により、ナノ粒子や環境についての事前知識が不要な、イン・サイドでラベルフリーかつ非侵襲的な単一ナノ粒子の温度マッピングが可能となった。
• 本手法は高い空間分解能およびスペクトル分解能を備え、ナノスケールでの温度差を明確に解像でき、複雑なプラズモン支援系への応用における有効性を裏付けた。
• 結果から、界面熱抵抗がナノシステムにおける熱輸送を支配することが明らかになった。これは、バルク材料の性質に基づく仮定とは対照的である。