Izkoriščanje površinske plazmonske resonance (LPPR) pri detekciji površinskih topoloških stanj (TPS) nanodelcev topoloških izolatorjev in razvoj novih foto-termičnih nanodelcev topoloških izolatorjev

Vsebina projekta in financiranje

Topološki izolatorji (TI) so nedavno odkriti materiali, ki so pridobili veliko zanimanje raziskovalcev predvsem zaradi njihovih elektronskih lastnosti površin. Te lastnosti so posledica spinsko-orbitalne sklopitve, ki vodi v obrnjeno pasovno strukturo in pojava kovinskih topoloških površinskih stanj (TPS). Za lažjo predstavo, TI so kot navadni izolatorji, s prepovedanim volumenskim pasom v notranjosti materiala (ang. bulk band-gap), vendar na mejah (površini ali robu) materiala vsebujejo še brezvrzelna (ang. gapless) TPS. Za razliko od običajnih površinskih stanj, ki jih lahko uničimo z adsorbanti, kontaminacijo ali vključitvijo dopantov v kristalno strukturo, so TPS veliko bolj robustna za skoraj vse vrste nemagnetnih nečistoč in motenj v strukturi. Razlog je v kombinaciji učinka časovno-obratne simetrije (ang. time-reversal symetry) in spinsko-orbitalne sklopitve (Slika 1). Zaradi omenjenih posebnih lastnosti so TI materiali primerni kandidati za uporabo v novih aplikacijah, kot so kvantni računalniki, THz detektorji, v plazmoniki in v spintroniki, ali pa celo kot foto-termiki v obliki nanodelcev. Med TI je najbolj obetaven material bizmutov selenid (Bi₂Se₃), ki ima zelo ozek prepovedan pas (0,3 eV).

Zaradi velike težnje po minituarizaciji nekaterih omenjenih aplikacij, se ne moremo izogniti temu, da bomo na neki točki morali uporabiti nanodelce. Glavni problem, ki že leta omejuje razvoj in uporabo nanodelcev TI, je detekcija prisotnosti TPS, lastnosti, ki definira TI. Zaradi omejitev že znanih metod, detekcija TPS na nanodelcih ni mogoča. Ker na obstoj TPS vplivajo različni dejavniki (npr. kritična debelina, koncentracija dopantov, sintezna metoda), nikoli za res ne vemo, ali so sintetizirani nanodelci TI ali ne. Glede na omenjene probleme, je cilj našega projekta razvoj nove analitske metode, ki bo omogočala enostavno in hitro detekcijo TPS neposredno na nanodelcih. Razvoj takšne metode pomeni nov mejnik v razvoju področja TI, saj je odkrivanje značaja TI zelo pomembno za razvoj novih nanodelcev TI in aplikacij, ki temeljijo na njih.

Predlagana metoda temelji na neposredni detekciji TPS preko opazovanja absorpcijskih vrhov, ki pripadajo lokalizirani plazmonski resonanci (LPPR), z uporabo UV-vis spektroskopije. Celoten koncept detekcije TPS preko zaznavanja prisotnosti LPPR so v preteklosti že teoretično napovedali, vendar smo ga šele pred kratkim tudi eksperimentalno dokazali. Več informacij v članku.

Za razvoj metode bomo pripravili različne Bi_2-xA_xSe₃ (A=M³⁺) nanodelce. Namreč, dopanti lahko vplivajo na obstoj TPS. Absorpcijo nanodelcev bomo merili z uporabo dveh različnih sistemov, ki uporabljata različno optično geometrijo: klasično UV-vis spektrofotometrijo in čitalnik mikrotiterskih plošč. Za potrditev predlagane metode bomo primerjali rezultate z rezultati pridobljenimi s standardno metodo za detekcijo TPS (ARPES). Z metodo ARPES bomo detektirali TPS na monokristalih z enako Bi_2-xA_xSe₃ sestavo, kot jo imajo nanodelci. Poleg zaznave TPS, bomo lahko z novo razvito metodo tudi določili kritično koncentracijo dopantov, pri kateri izginejo TPS na nanodelcih. Ta podatek je zelo pomemben za nadaljni razvoj nanomaterialov TI. Možnost razvoja novih materialov pa nas pripelje do drugega dela projekta, kjer nam bo nova metoda omogočila tudi odkriti potencialne foto-termične nanodelce TI. LPPR je odgovoren za obstoj foto-termičnega učinka nanodelcev TI. Takšen vir toplote, ima velik potencial pri uporabi v medicini. Torej naš drugi cilj v projektu je študija foto-termičnega učinka nanodelcev TI in razvoj novih foto-termičnih nanomaterialov TI, z nadzorovanim toplotnim učinkom. Detekcija LPPR in meritve foto-termičnega učinka bodo razširile uporabo nanodelcev TI tudi na druga znanstvena področja, kot je na primer biomedicina, plazmonika, senzorji, termična mikrobiologija itd.

Trajanje projekta: 1. 9. 2020-31. 8. 2022

Financiranje: Projekt financira Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije (številka projekta: Z2-2644)

Projektna skupina

• Dr. Blaž Belec (vodja) SICRIS
• Prof. Dr. Matjaž Valant SICRIS
• Prof. Dr. Mattia Fanetti SICRIS
• Prof. Dr. Sandra Gardonio SICRIS
• Dr. Nina Kostevšek (sodelovanje z IJS) SICRIS

Faze projekta

DS1: Razvoj in potrditev nove metode za zaznavanje TPS na nanodelcih TI

• N1: Priprava monokristalov z razločno Bi_2-xA_xSe₃ sestavo (ni doseženo)
• N2: Določanje TPS na monokristalih z uporabo ARPES metode (ni doseženo)
• N3: Priprava nanodelcev Bi_2-xA_xSe₃ brez adsorbentov na njihovi površini (zaklučeno)
• N4: Določanje TPS neposredno na nanodelcih z meritvami absorpcije nanodelcev (zaklučeno)

DS2: Študija foto-termičnega učinka na nanodelcih TI in razvoj novih foto-termičnih nanomaterialov TI

• N1: Meritve foto-termičnega učinka nanodelcev (zaklučeno)
• N2: Študija povezave med prisotnostjo TPS in foto-termičnim učinkom (zaklučeno)

Dodatne raziskave v okviru projekta

• Raziskava optičnih in foto-termičnih lastnsoti topološkega izolatorja Bi₂Se₃ v odvisnosti od debeline plasti na površini nanodelcev

Bibliografija projekta

https://www.nature.com/articles/s41598-019-55646-1

Raziskovalni članki

1. Inherent surface properties of adsorbent-free ultrathin Bi₂Se₃ topological insulator platelets ( https://www.mdpi.com/2079-4991/13/5/809)
2. Silica coated Bi₂Se₃ topological insulator nanoparticles: An alternative route to retain their optical properties and make them biocompatible (https://www.mdpi.com/2079-4991/13/5/809)

Konferenčni prispevki:

1. 2022, Slovensko posvetovanje mikroskopistov: Optical response of plasmonic Bi₂Se₃ topological insulator nanoplatelets investigated by cathodoluminescence microscopy.
2. 2022, ICPPP21- International conference on photoacoustic and photothermal phenomena: Topological insulator nanoparticles: material with prospect for photo-thermal applications.
3. 2022, Slovenski kemijski dnevi: Exploitation of localized surface plasmon resonance for detection of nanoparticle's topological surface states
4. 2021, Slovenski kemijski dnevi: Silica coated Bi₂Se₃ topological insulator nanoplatelets: the way of making them colloidally stable but preserving their optical properties.

ARRS – Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije