CC BY
25
УДК 544.77.03:538.958
ВЛИЯНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПЛАЗМОН-ЭКСИТОН НА ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОЧАСТИЦ
ЯДРО-ОБОЛОЧКА
Д. Н. Васильев1'2, Е. С. Кольцова3, Д. А. Чубич1'2
Исследовано плазмон-экситонное взаимодействие в композитных наночастицах, состоящих из металлического (Аи) ядра, покрытого двумя, слоями органических веществ: мономолекулярной прослойкой диэлектрика и слоем, J-агрегата цианинового красителя. В отличие от ранее исследованных систем в рассматриваемых на,но-
J
1.2 нм, что позволяет сохранить взаимодействие плаз-
J
мя, ослабить тушение люминесценции. Морфология, частиц исследована методами просвечивающей электронной и атомно-силовой микроскопии. В спектре поглощения, таких частиц обнаружены полосы, обусловлен-
J
сти. Методом, pump-probe обнаружена, быстрая, динамика, (единицы пикосекунд) изменения, оптической плотности. В спектре фотолюминесценции присутствует ха,-J
которой происходит за, счет локально усиленного поля, плазмонов металлического ядра.
J
агрегаты 5 френкелевские экситоньт. ттлазмон-экситонное взаимодействие, фотоиндуци-рованное поглощение, фотолюминесценция.
1 Московский физико-технический институт (государственный университет), Московская область, г. Долгопрудный,141700, Россия.
2 Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН, Москва, 119991, Россия; e-mail: chubich@sci.lebedev.ru.
3 Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М. В. Ломоносова, Москва, 119571, Москва, Россия.
Молекулярные ансамбли с определенной упаковкой молекул цианиновьтх красителей, называемые J-агрегатами, легко могут быть созданы в водных растворах при повышении концентрации, добавлении некоторых неорганических и органических катионов. ионов редкоземельных элементов. Оптические свойства J-агрегатов активно изучают на протяжении многих лет как для применений в качестве фотосенсибилизаторов в фотографии, так и в качестве элементов новых оптоэлектронных устройств. Делокализацией френкелевского экситона обуславливаются такие интересные спектроскопические свойства J-агрегатов как: узкая полоса поглощения, смещенная в красную область относительно полосы поглощения мономеров, резонансная флуоресценция с малым стоксовьтм сдвигом, высокий квантовый выход люминесценции, очень короткое время жизни люминесценции, а также большая величина оптической нелинейности. J
и,ы5 появляются дополнительные интересные особенности5 связанные с плнзмонными эффектами в металлическом ядре, а также с взаимодействием плазмона ядра с экси-тоном органической оболочки. Адсорбционные свойства двухкомпонентньтх металлоор-ганических наночастиц ядро-оболочка н£ь основе J
цианиновьтх красителей активно исследуются в последние годы [1 3], однако в таких
J
металлического ядра.
Особую актуальность приобретает исследование наночастиц ядро/оболочка в свете недавнего успеха по созданию нанолазера [4] на основе именно гибридных двух-компонентных наночастиц, состоящих из золотого наноядра, которое покрыто силикатной оболочкой, содержащей краситель. Особо существенно^ что Дсхннсзья систем<вц в которой излучение красителя используется для усиления поверхностных плазмонов наноядра, является первой экспериментальной реализацией "spaser'a" (Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation), теоретически предсказанного в 2003 году [5].
Нами были впервые синтезированы трехкомпонентньте композитные наночасти-цы, состоящие из металлического ядра (Au) диаметром 6 нм, покрытого двумя концентрическими оболочками органического вещества: монослоем ТМА (Х,Х,Х-триметил(11-меркаптоундецил)аммониума хлорид), поверх которого располагалась оболочка З.З'-ди(7-сульфопропил)-4/,5/-[1//-метилиндоло(3//,2//)]-тиатиазолоцианина в J-агрегатном состоянии. Таким образом, была реализована идея металлоорганической
J
сг
300 350 400 450 500 550 600 650 Wavelength, nm
Рис. 1: (а) Нормированный спектр поглощения коллоидных наночастиц Аи/ТМА, Аи/ТМА/J-агрегат красителя и раствора красителя /Ю-4 М) в воде. Стрелками отмечены D - поглощение димеров /437 нм), - мономеров /468 нм) красителя в воде, и J-агрегатов на поверхности наночастицы; (б) Структура трехкомпонентной нано-частицы ядро/оболочка.
приблизительно равное длине молекулы ТМА. При такой конструкции наночастицы
J
же время сохранив взаимодействие плазмонов ядра и экситонов облочки. Структура, форма и размеры наночастиц экспериментально определялись 2 методами: просвечивающей электронной и атомно-силовой микроскопии.
На рис. 1 представлен спектр поглощения трехкомпонентных наночастиц Аи/ТМА/ J-агрегат З.З'-дп (7-сульфопропи л^^бЦГ'-метилиндоло^"^")]-тиатиазолоцианина. В спектре поглощения наночастиц Аи/ТМА (без красителя) наблюдается только полоса поглощения с максимумом 520 нм, соответствующая поверхностным плазмонам в сферических наночастицах. В трехкомпонентных нано-частицах взаимодействие экситона оболочки и плазмона ядра обуславливает наличие в спектре поглощения максимумов 498 и 540 нм, а также провала на длине волны 520 нм. Таким образом, в спектре поглощения трехкомпонентных наночастиц нельзя выделить часть, относящуюся только к плазмонам, либо только к экситонам, то есть поглощение металлоорганической наночастицы описывается гибридными состояниями.
J
которого приблизительно равна энергии плазмона наноядра. Обнаружена быстрая
динамика (единицы пикосекунд) изменения оптической плотности трехкомпонентньтх наночастиц методом pump-probe при длине волны накачки 395 нм и длинах волн зондирования 521 нм и 540 нм.
В спектре фотолюминесценции композитных наночастиц присутствует узкая полоса с небольшим стоксовьтм сдвигом относительно "экситонной" полосы поглощения, что JJ агрегате происходит за счет усиленного локального поля плазмона металлического на-ноядра.
Работа поддержана частично грантом РФФИ-НАН Украины N 08-02-90464-Укр_а, а также грантом РФФИ X 09 02 00546 а и НШ 4365.2008.2.
ЛИТЕРАТУРА
[1] X. Ivometaui et al.. Laugmuir 17. 578 (2001).
[2] V. S. Lebedev et al., Col. and Surf. A, 326, 204 (2008).
[3] G. P. Wiederrecht et al., Chem. Phys. Lett. 461, 171 (2008).
[4] M. A. Xoginov et al., Nature 460, 1110 (2009).
[5] D. J. Bergman and M. I. Stockman, Phys. Rev. Lett. 90(2), 0274021 (2003).
По материалам Я Всероссийской молодежной школы-семинара "Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики", Москва, ФИАН, октябрь 2009 г.
Поступила в редакцию 28 декабря 2009 г.
