[논문 리뷰] <i>In Situ</i> Photothermal Response of Single Gold Nanoparticles through Hyperspectral Imaging Anti-Stokes Thermometry

Mariano Barella, Ianina L. Violi외 11명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 17.

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 개별 금 나노입자의 광열 반응을 그들의 성질이나 환경에 대한 사전 지식 없이 측정하기 위해 레이블 프리, 현장 내 anti-Stokes 초스펙트럼 영상 온도 측정 기법을 도입한다. 이 기법은 50nm 이상의 금 나노입자에서 수용액 내 열확산이 주로 둘레 매질에 의해 지배됨을 드러내며, 계면 열저항이 온도에 상당한 영향을 미친다는 것을 보여준다. 그래핀 상의 80nm 나노입자는 유리 기판보다 열전도성이 높은데도 불구하고 열전도성이 열악한 접촉으로 인해 24% 높은 온도에 도달한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 단일 플라즈몬 나노입자의 광열 특성을 신뢰할 수 있고 레이블 프리로 현장 내에서 특성화할 수 있는 방법을 개발하는 것.
• 공간 해상도가 낮거나 침습적인 기존 온도 측정 기법의 한계를 극복하는 것.
• 금 나노입자에서 열확산에 둘레 매질과 기초가 미치는 영향을 조사하는 것.
• 다른 기초에서의 계면 열저항이 나노입자의 광열 반응에 어떻게 영향을 미치는지 정량화하는 것.
• 플라즈몬 보조 응용에 관련된 복잡한 환경에서도 정확한 온도 맵핑을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 초스펙트럼 공명 영상 시스템이 레이저 조사 하에서 개별 금 나노입자의 광발광 방출을 캡처한다.
• 온도 의존적 스펙트럼 이동 분석을 통해 반대 스펙트럼 강도 비율을 사용하여 국소 온도를 결정한다.
• 이 방법은 나노입자나 둘레 매질에 대한 사전 지식이 필요 없어, 감지 가능한 anti-Stokes 방출을 갖는 모든 나노입자에 대한 일반적 적용이 가능하다.
• 광학 인쇄 기술을 사용하여 전하 상호작용을 제어하여 개별 나노입자를 기초(유리, sapphire, 그래핀)에 정렬한다.
• PID 제어 온도 조절 스테이지와 자동 데이터 캡처를 사용해 다수의 온도 지점에서 초스펙트럼 영상을 확보한다.
• 외부 프로브에 의존하지 않고 알려진 anti-Stokes 방출 비율의 온도 의존성을 사용해 온도 캘리브레이션을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수용액 환경에서 단일 금 나노입자의 광열 반응이 크기 변화에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ2 수용액 내 50nm 이상의 금 나노입자에서 열확산의 주요 경로는 무엇인가?
• RQ3 열전도성이 다른 다양한 기초가 단일 나노입자의 국소 온도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 그래핀과 같은 고열전도성 물질의 고체 열전도성에도 불구하고, 나노스케일 시스템에서 계면 열저항이 열전도에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 anti-Stokes 초스펙트럼 영상 기법이 외부 프로브나 시스템에 대한 가정 없이 정확하고 현장 내 온도 맵핑을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 50nm 이상의 금 나노입자에서 수용액 내 열확산은 주로 둘레 수용액 매질에 의해 지배된다.
• 사파이어 기초에서는 동일한 조사 강도에서 유리 기초보다 18% 낮은 온도에 도달한다. 이는 열전도성이 향상되었기 때문이다.
• 그래핀 코팅 유리 기초에서는 유리 기초보다 80nm 금 나노입자가 24% 더 높은 온도에 도달한다. 이는 그래핀의 고열전도성에도 불구하고 열전도성이 열악한 계면 접촉으로 인한 것으로, 계면 저항이 뚜렷하다는 것을 시사한다.
• 이 방법은 나노입자나 환경에 대한 사전 지식이 필요 없이 현장 내, 레이블 프리, 비침습적 온도 맵핑을 가능하게 한다.
• 이 기법은 높은 공간 해상도와 스펙트럼 해상도로 나노스케일에서의 온도 차이를 성공적으로 해소하여, 복잡한 플라즈몬 시스템에 대한 유용성을 입증한다.
• 결과적으로 계면 열저항이 나노계에서 열전도를 지배할 수 있음을 보여주며, 고체 물질의 거시적 열전도성에 기반한 가정을 도전한다.