en
Назад
DOI: 10.17586/1023-5086-2022-89-11-03-16
УДК: 537.63, 535.14
Влияние плазмонных оболочечных наночастиц на безызлучательный перенос энергии электронного возбуждения в донорно-акцепторной паре
Полный текст на elibrary.ru
Публикация в Journal of Optical Technology
Кучеренко М.Г., Налбандян В.М., Мушин Ф.Ю., Чмерева Т.М. Влияние плазмонных оболочечных наночастиц на безызлучательный перенос энергии электронного возбуждения в донорно-акцепторной паре // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 11. С. 3–16. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-11-03-16
Kucherenko M.G., Nalbandyan V.M., Mushin F.Yu., Chmereva T.M. Effect of plasmonic-shell nanoparticles on the nonradiative transfer of electron excitation energy in donor/acceptor pairs [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2022. V. 89. № 11. P. 3–16. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2022-89-11-03-16
M. G. Kucherenko, V. M. Nalbandyan, F. Yu. Mushin, and T. M. Chmereva, "Effect of plasmonic-shell nanoparticles on the nonradiative transfer of electron excitation energy in donor/acceptor pairs," Journal of Optical Technology. 89(11), 642-650 (2022). https://doi.org/10.1364/JOT.89.000642
Предмет исследования. Безызлучательный перенос энергии между донорным и акцепторным центрами, которые расположены вблизи сферической наночастицы с диэлектрическим ядром и металлической оболочкой. Цель работы. Теоретическое исследование безызлучательного переноса энергии в системе, состоящей из наночастицы-рефлектора с диэлектрическим ядром и металлической оболочкой, донора, в роли которого выступает органическая молекула или квантовая точка, и акцептора, которым может быть другая молекула, квантовая точка или наночастица с выраженными диссипативными свойствами. Метод. Для расчета скорости переноса энергии предложены квантово-механическая и электродинамическая модели, причем последняя справедлива и при наличии внешнего магнитного поля. Основные результаты. Определены параметры системы, обеспечивающие наиболее эффективный перенос энергии между ее компонентами. Показано, что в резонансных условиях скорость передачи энергии с донора на акцептор в присутствии наночастицы-ретранслятора возрастает до трех порядков по сравнению со скоростью в однородной диэлектрической среде без наночастиц. Практическая значимость. Результаты работы полезны с прикладной точки зрения особенно при разработке фотоэлектронных устройств, принцип работы которых базируется на плазмон-ускоренном переносе энергии между компонентами функциональной наносистемы.
донорно-акцепторная пара, безызлучательный перенос энергии, квантовая точка, слоистая наночастица, магнитное поле
Благодарность:Теоретические исследования выполнены при финансовой поддержке Министерство науки и высшего образования РФ, проект № FSGU-2020-0003.
Коды OCIS: 250.5403, 270.5580
Список источников:1. Климов В.В. Наноплазмоника. М.: Физматлит, 2009. 480 с.
2. Новотный Л., Хехт Б. Основы нанооптики. М.: Физматлит, 2011. 484 с.
3. Sen T. and Patra А. Resonance energy transfer from Rhodamine 6G to gold nanoparticles by steady-state and time-resolved spectroscopy // J. Phys. Chem. C. 2008. V. 112. № 9. P. 3216–3222. https://doi.org/10.1021/jp0768367
4. Davis T.J., Gómez D.E., and Vernon K.C. Interaction of molecules with localized surface plasmons in metallic nanoparticles // Phys. Rev. B. 2010. V. 81. № 4. P. 045432. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.81.045432
5. Huang Q., Chen J., Zhao J., Pan J., Lei W., Zhang Z. Enhanced photoluminescence property for quantum dot-gold nanoparticle hybrid // Nanoscale Research Lett. 2015. V. 10. № 1. P. 400. https://doi.org/10.1186/s11671-015-1067-0
6. Камалиева А.Н., Торопов Н.А., Богданов К.В., Вартанян Т.А. Усиление флуоресценции и комбинационного рассеяния молекул цианинового красителя на поверхности наночастиц серебра, покрытых кремнием // Опт. и спектр. 2018. Т. 124. № 3. С. 324–237. DOI:10.21883/OS.2018.03.45652.248-17 Kamalieva A.N., Toropov N.A., Bogdanov K.V., Vartanyan T.A. Enhancement of fluorescence and Raman scattering in cyanine-dye molecules on the surface of silicon-coated silver nanoparticles // Optics and Spectroscopy. 2018. V. 124. № 3. P. 319–322. https://doi.org/10.1134/S0030400X18030153
7. Briskina C.M., Tarasov A.P., Markushev V.M., Shiryaev M.A. Magnetic field influence on the intensity of ZnO random lasing and exciton luminescence // J. Nanophot. 2018. V. 12. № 4. P. 043506. DOI: 10.1117/1.JNP.12.043506
8. Кучеренко М.Г., Налбандян В.М. Люминесценция двухчастичного комплекса из сферической квантовой точки и плазмонной наноглобулы во внешнем магнитном поле // Опт. и спектр. 2020. Т. 128. № 11. С. 1776–1783. DOI: 10.21883/OS.2020.11.50184.153-20 Kucherenko M.G., Nalbandyan V.M. Luminescence of a two-particle complex from a spherical quantum dot and plasmon nanoglobule in an external magnetic field // Optics and Spectroscopy. 2020. V. 128. № 11. P. 1910–1917. https://doi.org/10.1134/S0030400X20110156
9. Anger P., Bharadwaj P., Novotny L. Enhancement and quenching of single-molecule fluorescence // Phys. Rev. Lett. 2006. V. 96. P. 113002. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.96.113002
10. Кучеренко М.Г., Кислов Д.А., Чмерева Т.М. Возможности улучшения характеристик сканирующего ближнепольного оптического микроскопа за счет плазмонно-резонансного увеличения скорости безызлучательного переноса энергии // Российские нанотехнологии. 2012. Т. 7. № 3–4. С. 111–117. Kucherenko M.G., Kislov D.A., Chmereva T.M. Possibilities of improving the characteristics of the scanning near-field optical microscope due to the plasmon-resonance increase of the nonradiative energytransfer rate // Nanotechnologies in Russia. 2012. V. 7. № 3–4. P. 196–204. https://doi.org/10.1134/S1995078012020115
11. Lee E.K., Song J.H., Jeong K.Y., Seo M.K. Design of plasmonic nano-antenna for total internal reflection fluorescence microscopy // Opt. Exp. 2013. V. 21. № 20. P. 23036–23047. https://doi.org/10.1364/OE.21.023036
12. Lee Y.B., Lee S.H., Park S.Y., Park C.J., Lee K.S., Kim J., Joo J. Luminescence enhancement by surface plasmon assisted Förster resonance energy transfer in quantum dots and light emitting polymer hybrids with Au nanoparticles // Synthetic Metals. 2014. V. 187. P. 130–135. https://doi.org/10.1016/j.synthmet.2013.11.005
13. Gersten J.I., Nitzan A. Accelerated energy transfer between molecules near a solid particle // Chem. Phys. Lett. 1984. V. 104. № 1. P. 31–37. https://doi.org/10.1016/0009-2614(84)85300-2
14. Govorov A.O., Lee J., Kotov N.A. Theory of plasmon-enhanced Förster energy transfer in optically excited semiconductor and metal nanoparticles // Phys. Rev. B. 2007. V. 76. № 12. P. 125308. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.76.125308
15. Pustovit V.N., Shahbazyan T.V. Resonance energy transfer near metal nanostructures mediated by surface plasmons // Phys. Rev. B. 2011. V. 83. № 8. P. 085427. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.83.085427
16. Hsu L.Y., Ding W., Schatz G.C. Plasmon-coupled resonance energy transfer // J. Phys. Chem. Lett. 2017. V. 8. № 10. P. 2357–2367. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.7b00526
17. Измоденова С.В., Кислов Д.А., Кучеренко М.Г. Ускоренный безызлучательный перенос энергии электронного возбуждения между молекулами в водных пулах обратных мицелл с инкапсулированными серебряными наночастицами // Коллоидный журнал. 2014. Т. 76. № 6. С. 734–744. Izmodenova S.V., Kislov D.A., Kucherenko M.G. Accelerated nonradiative electron-excitation energy transfer between molecules in aqueous pools of reverse micelles containing encapsulated silver nanoparticles // Colloid J. 2014. V. 76. № 6. P. 683–693. https://doi.org/10.1134/S1061933X14060088
18. Кучеренко М.Г., Степанов В.М., Кручинин Н.Ю. Межмолекулярный безызлучательный перенос энергии в кластерах с плазмонными наночастицами // Опт. и спектр. 2015. Т. 118. № 1. С. 107–114. Kucherenko M.G., Stepanov V.N., Kruchinin N.Y. Intermolecular nonradiative energy transfer in clusters with plasmonic nanoparticles // Optics and Spectroscopy. 2015. V. 118. № 1. P. 103–110. https://doi.org/10.1134/s0030400x15010154
19. Aissaoui N., Moth-Poulsen K., Käll M., Johansson P., Wilhelmsson L.M., Albinsson B. FRET enhancement close to gold nanoparticles positioned in DNA origami constructs // Nanoscale. 2017. V. 9. № 2. P. 673–683. https://doi.org/10.1039/c6nr04852h
20. Андрианов Е.С., Виноградов А.П., Дорофеенко А.В., Зябловский А.А., Лисянский А.А., Пухов А.А. Квантовая наноплазмоника. Долгопрудный: издательский дом «Интеллект», 2015. 368 с.
21. De Luca A., Ferrie M., Ravaine S., et al. Gain functionalized core–shell nanoparticles: The way to selectively compensate absorptive losses // J. Materials Chem. 2012. V. 22. № 18. P. 8846. https://doi.org/10.1039/c2jm30341h
22. Raja W., Bozzola A., Zilio P., Miele E., Panaro S., Wang H., Zaccaria R.P. Broadband absorption enhancement in plasmonic nanoshells-based ultrathin microcrystalline-Si solar cells // Scientific Reports. 2016. V. 6. № 1. P. 24539. https://doi.org/10.1038/srep24539
23. Tao Y., Guo Z., Zhang A., Zhang J., Wang B., Qu S. Gold nanoshells with gain-assisted silica core for ultrasensitive bio-molecular sensors // Opt. Commun. 2015. V. 349. P. 193–197. d https://oi.org/10.1016/j.optcom.2015.03.061
24. Shishodia M.S., Fainberg B.D., Nitzan A. Theory of energy transfer interactions near sphere and nanoshell based plasmonic nanostructures // Plasmonics: Metallic Nanostructures and Their Optical Properties IX. SPIE. 2011. V. 8096. P. 116–131. https://doi.org/10.1117/12.892940
25. Shishodia M.S., Juneja S. Localized surface plasmon mediated energy transfer in the vicinity of core-shell nanoparticle // J. Appl. Phys. 2016. V. 119. № 20. P. 203104. https://doi.org/10.1063/1.4951718
26. Shishodia M.S., Juneja S. Surface plasmon enhanced electric field versus Förster resonance energy transfernear core-shell nanoparticle // J. Appl. Phys. 2019. V. 125. № 21. P. 213104. https://doi.org/10.1063/1.5087583
27. Rajput P., Shishodia M.S. Förster resonance energy transfer and molecular fluorescence near gain assisted refractory nitrides based plasmonic core-shell nanoparticle // Plasmonics. 2020. V. 15. № 6. P. 2081–2093. https://doi.org/10.1007/s11468-020-01208-5
28. Synak A., Kulak L., Bojarski P., Schlichtholz A. Forster energy transfer in core−shell nanoparticles: Theoretical model and Monte Carlo study // J. Phys. Chem. C. 2021. V. 125. № 33. P. 18517–18525. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.1c05314
29. Чмерева Т.М., Кучеренко М.Г. Влияние проводящего наноцилиндра на резонансный перенос энергии в донорно-акцепторной паре молекул // Опт. и спектр. 2011. Т. 110. № 5. С. 819–826. Chmereva T.M., Kucherenko M.G. Influence of conducting nanocylinder on resonance energy transfer in donor-acceptor pair of molecules // Optics and Spectroscopy. 2011. V. 110. № 5. P. 767–774. https://doi.org/10.1134/S0030400X11040084
30. Chmereva T.M., Kucherenko M.G. Intermolecular radiationless electronic excitation energy transfer near a conductive film // Russian Physics Journal. 2015. V. 57. № 10. P. 1428–1435. https://doi.org/10.1007/s11182-015-0399-7
31. Агранович В.М., Галанин М.Д. Перенос энергии электронного возбуждения в конденсированных средах. М.: Наука, 1978. 384 с.
32. Goliney I.Yu., Sugakov V.I., Valkunas L., Vertsimakha G.V. Effect of metal nanoparticles on energy spectra and optical properties of peripheral light-harvesting LH2 complexes from photosynthetic bacteria // Chem. Phys. 2012. V. 404. P. 116–122. https://doi.org/10.1016/j.chemphys.2012.03.011
33. Archambault А., Marquier F., Greffet J.J., Arnold C. Quantum theory of spontaneous and stimulated emission of surface plasmons // Phys. Rev B. 2010. V. 82. P. 035411. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.82.035411
34. Добрецов Г.Е. Флуоресцентные зонды в исследовании клеток, мембран и липопротеинов (таблица люминесцентных зондов). М.: Наука, 1989. 277 с.
35. Кучеренко М.Г., Налбандян В.М., Чмерева Т.М. Особенности формирования спектров излучения двухчастичных наносистем в магнитном поле // Опт. и спектр. 2022. Т. 130. № 5. С. 745–753. DOI: 10.21883/OS.2022.05.52430.9-22
36. Гинзбург В.Л., Рухадзе А.А. Волны в магнитоактивной плазме. М.: Наука, 1975. 256 с.
37. Кучеренко М.Г., Налбандян В.М., Чмерева Т.М. Люминесценция комплекса «квантовая точка — слоистая плазмонная наночастица» в магнитном поле // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 9. С. 9–19. DOI: 10.17586/1023-5086-2021-88-09-09-19 Kucherenko M.G., Nalbandyan V.M., Chmereva T.M. Luminescence of a complex composed of a quantum dot and a layered plasmon nanoparticle in a magnetic field // JOT. 2021. V. 88. № 9. P. 489–496. https://doi.org/10.1364/JOT.88.000489
38. Kucherenko M.G., Nalbandyan V.M. Formation of the spectral contour width of nanoparticles plasmon resonance by electron scattering on phonons and a boundary surface // Eurasian Phys. Tech. J. 2018. V. 15. № 2(30). P. 39–37.