Hur påverkar AuNP-dimerisering hybridiseringseffektiviteten och DNA-analysens känslighet?

Storleksfördelningen av AuNP-dimerer (guldnanopartikeldimerer) visar att signalen från den translationella diffusionen för dimeren ligger runt 64 nm, vilket motsvarar diametern för en "sfärisk" partikel som är ekvivalent med dimerens diffusionsrörelse. De storleksfördelningar för R5 till R15 är mycket lika, vilket bekräftar dimersystemets enhetlighet. Signalen vid 9 nm härrör från den rotationella diffusionen av dimeren. Eftersom dimeren uppvisar distinkt optisk anisotropi mellan longitudinella och transversella lägen, orsakar rotationsrörelsen signifikanta fluktuationer i det spridda ljuset och korrelationspeaken vid en fördröjning som motsvarar den rotationella diffustiden.

Den optiska anisotropin och den resulterande signalintensiteten förstärks när mellanrummet mellan partiklarna minskas (alkylkedjelängd), vilket stämmer överens med resultatet om en större röd förskjutning av den longitudinella modusen vid minskning av gapet. Dimerer bildas också genom användning av AuNP:er med andra diametrar, inklusive 20, 30, 50, 60 och 80 nm, modifierade med R5, R7, R10 och R15. Natriumklorkoncentrationen i den modifierade bufferten och bindningsbufferten optimerades beroende på storleken på AuNP:erna för att maximera dimerbildningens effektivitet och undvika oönskad aggregering av AuNP:er.

Vid elektrofrores, separering och mätning av extinction-spektra för AuNP-dimerer, bekräftades enhetligheten hos multimera och en systematisk förändring av färgresponsen och dimerens toppförskjutning när alkylkedjelängden ändrades. Det är också värt att notera att graden av den röda förskjutningen för den longitudinella modusen blir mindre betydande vid minskad storlek på AuNP:erna. Detta beror på att storleken på den röda förskjutningen är känslig för det relativa avståndet mellan AuNP:erna (förhållandet mellan interpartikelgapet och AuNP-diametern) såväl som det absoluta avståndet.

För att förstå bindningsmekanismen mer detaljerat utfördes mikro-Raman-spridningsspektroskopi av dimerer från 40 nm AuNP:er modifierade med R5 till R15 i suspension. Genom att mäta Raman-spektret från en enda dimer vid ett givet ögonblick under Brownska rörelser, kunde vi observera att det finns en förstärkning av signalen vid interpartikelgapet. Den kortaste interpartikelavståndet (R5) gav upphov till den starkaste Raman-signalen, och signalintensiteten minskade avsevärt med ökande gapavstånd. Denna observation visar att Raman-signalen från gapregionen är särskilt framträdande.

Med hjälp av detta SERS-mätningstillvägagångssätt skulle gapet mellan dimererna inte vara helt upptaget av alkanethiolmolekyler, vilket innebär att analytermolekyler kan placeras i gapet och tillåta SERS-mätningar på enskilda molekylnivå.

Sammanfattningsvis har vi optimerat ytan på AuNP:er för att förbättra både dispergerbarhet och hybridiseringseffektivitet, vilket gör det möjligt att skapa en AuNP-plattform för mycket känsliga och homogena DNA-analyser. Genom att modifiera ytan med alkanethioler ökade vi ytladdningstätheten och den resulterande repulsiva interaktionen. Dessa modifieringar gjorde ytan hydrofob och främjade sträckningen av ssDNA, vilket ökade hybridiseringseffektiviteten. Införandet av oligoetylenglykol i alkanethiolen hindrade ospecifik bindning orsakad av intrassling av alkankedjor. Genom att justera ytladdningstätheten genom införandet av en COOH-terminalgrupp blockerades ospecifik bindning fullständigt, vilket möjliggjorde hög hybridiseringseffektivitet.

Hur förbättrar man effektiviteten i Raman-silikonlasrar genom optimering av nanohål och struktur?

Raman-silikonlasrar har under de senaste åren blivit ett fokusområde inom fotonikforskning, särskilt på grund av deras potential för användning i optoelektroniska chip och system för framtida kommunikationsteknologier. Den grundläggande principen för dessa lasrar baseras på Raman-effekten, där pumpstrålning exciterar silikonmaterialet och skapar en sekundär ljusvåg (Stokes-våg), vilken sedan används för att generera laserljus. För att uppnå högsta möjliga effektivitet och prestanda är det avgörande att optimera resonansstrukturen och reducera förluster genom att noggrant designa de nanoskala fotoniska strukturerna i lasern.

Ett viktigt område av forskning inom detta fält är utvecklingen av silikon-nanocavity-lasrar, där en kombination av termiska behandlingar och fotoniska kristallstrukturer används för att maximera kvaliteten på resonansmoderna (Q-faktorer) och minimera energiförluster. Ett exempel på detta är processen där oxidfilmer på ytan av silikonet bildas med varierande hastighet beroende på kristallorienteringen. Detta skapar en hexagonal form på hålen i strukturen och bidrar till att förbättra Q-faktorerna. Genom att använda upprepad termisk behandling kan defekter och föroreningar i silikonets nanocavity minskas, vilket ytterligare optimerar laserns prestanda.

I experimentella mätningar har det visat sig att när man använder en stealth dicing-process för att skapa rena och välkluvna facetter, uppnås en högre tillverkningsutbyte. Ett exempel på detta är ett experiment med 10 prov på samma chip, där 6 av dessa genererade laserljus, vilket resulterade i ett tillverkningsutbyte på 60%. Samtidigt är det tydligt att det är svängningar i det resonerande frekvensintervallet (Δf) som utgör den största risken för att sänka tillverkningsutbytet, vilket behöver hanteras noggrant vid konstruktion och tillverkning.

För att uppnå en högre effektivitet och kortare laservåglängder är det också nödvändigt att optimera Q-faktorerna för både pumpmode (Qp) och Stokes-mode (QS), som direkt påverkar tröskelvärdena för laserdetektion och energiförlust. Experimentella data visar att även med relativt låga Q-faktorer för dessa mode, har det varit möjligt att uppnå goda resultat för lasereffektivitet, så länge den Raman-gain-faktorn (gcavR) är tillräcklig. Detta innebär att även om det finns vissa förluster i de resonanta mode-konfigurationerna, kan den ökade Raman-gain-effekten fortfarande säkerställa en stabil och effektiv laseroperation.

Det är också viktigt att förstå att för att uppnå dessa resultat är det avgörande att fokusera på nanoskala-fotonstrukturer och finjustera parametrar som hålradie, gallringsstruktur och materialtjocklek, eftersom dessa parametrar direkt påverkar både laserprestanda och tillverkningsutbyte. Vid utveckling av Raman-laserteknologier måste forskare noggrant överväga alla dessa faktorer för att balansera mellan optimerad laserprestanda och praktisk tillverkningsbarhet.

Hur Molekyladsorption Påverkar Excitoner och Optisk Bistabilitet i Nanorör

Molekyladsorption på kolnanorör (CNTs) har visat sig ha en betydande inverkan på deras optiska egenskaper, särskilt när det gäller excitonhantering och fenomen som optisk bistabilitet. Genom att förändra detektionsenergin och exponeringskraften, kan olika övergångar mellan desorberade och adsorberade tillstånd uppnås, vilket öppnar dörren för användning av CNTs i optiska minnesenheter. Under experimentella förhållanden med ett exciterande ljus som varieras i effekt, observeras det att övergångarna mellan dessa tillstånd sker vid olika effekttrösklar beroende på nanotubens temperatur och adsorptionsgrad.

Vid högre exponeringsenergi krävs en högre effekt för att nanotuben ska övergå från det kalla adsorberade till det varma desorberade tillståndet, vilket beror på den låga värmeeffektiviteten vid låga exponeringsnivåer. För att nå den nödvändiga övergångspunkten krävs därmed cirka 600 µW vid en exponeringsenergi på +28 meV. Om den exponerade effekten sänks under mätningens gång, kan nanotuben förbli i det varma desorberade tillståndet, vilket resulterar i en övergång vid en mycket lägre effekt, omkring 400 µW.

Vid större detuningenergier från resonans, som vid +34 meV, sker en märkbar förändring i den optiska hysteresen, där övergångarna mellan adsorberade och desorberade tillståndet blir mer uttalade och sker vid större effekt. Detta beror på en bredare absorptionstopp i det varma desorberade tillståndet, vilket gör att absorptionen av laserstrålningen blir mindre känslig för excitationens energi. Därmed ökar området för bistabilitet i förhållande till exponeringsenergi, vilket gör att hysteresen breddas och effekten av bistabilitet blir mer märkbar.

En annan viktig aspekt är det funktionella användandet av nanotuber för att skapa optisk minneslagring. Genom att använda optisk hysteres är det möjligt att åstadkomma ett minnesläge där nanotuben behåller sitt tillstånd (adsorberat eller desorberat) trots förändringar i excitationens styrka, vilket gör det möjligt att läsa av och skriva om minnesdata. När excitationseffekten förändras och befinner sig inom det bistabila området, förblir nanotuben i ett stabilt tillstånd tills en tröskel passeras som inducerar en övergång mellan tillstånden. Denna hysteresis är ett grundläggande element för att kunna åstadkomma reversibla och reproducerbara minnesoperationer.

För att uppnå en stabil och effektiv minnesfunktion är det viktigt att området för bistabilitet inte är för smalt, eftersom detta skulle göra det svårt att garantera att nanotuben förblir i det skrivna tillståndet under längre tidsperioder. Experimenten visade att efter att ett tillstånd har skrivits och innan det raderas, kvarstår nanotuben stabilt i sitt valda tillstånd under ett tidsintervall på en minut, vilket bekräftar att bistabiliteten är tillräckligt robust för att användas i optiska minnen.

Det är också relevant att förstå att CNTs optiska hysteresis inte enbart påverkas av effekt och excitationens energi utan också av strukturella egenskaper hos nanotuben, såsom längd och typ. Detta gör att varje enskild nanotub kan uppvisa olika egenskaper, vilket innebär att ytterligare experiment kan vara nödvändiga för att optimera användningen av CNTs i optiska minnen. Dessutom kan det vara användbart att fortsätta undersöka de långsiktiga effekterna av molekyladsorption på stabiliteten och hållbarheten för dessa system, särskilt med avseende på temperaturförändringar och yttre påverkan på CNTs.

Hur påverkar vibroniska kopplingar de optiska egenskaperna hos squarainmolekyler?

Squarainmolekyler, som utgör ett intressant område för optoelektronik och kvantkemiska tillämpningar, uppvisar ovanliga optiska egenskaper som härrör från de vibroniska kopplingarna mellan elektroniska tillstånd och molekylära vibrationer. Dessa kopplingar är särskilt viktiga för att förstå molekylens interaktioner med ljus och hur de styr optiska och elektriska responser i olika sammanhang, från lösningar till fasta ämnen. En detaljerad analys av dessa kopplingar ger oss en djupare förståelse för squaraines unika egenskaper, vilket är av stort intresse för både grundforskning och teknologiska tillämpningar, som stark och ultrastrong koppling.

Vibroniska kopplingar spelar en central roll i hur elektroniska tillstånd, såsom det singulära S1-tillståndet, samverkar med molekylens vibrationalmod. Den svaga kopplingen till höga frekvenser innebär att dessa molekyler uppvisar ett enskilt optiskt tillstånd, vilket gör dem särskilt intressanta för applikationer inom stark och ultrastrong koppling. För squaraines innebär det en markant minskning av vibroniska kopplingar till höga frekvenser, vilket gör att molekylerna uppvisar en stark optisk dipolmoment och högre stabilitet vid elektronisk excitationsövergång.

När man undersöker squaraines i fasta ämnen, där molekylerna bildar J-aggregat i tunnfilmer, är det också av intresse att förstå hur molekylär delokalisation och interaktioner mellan kromoforer påverkar deras kollektiva optiska egenskaper. J-aggregat bildas genom att squarainmolekyler ansamlas på ett substrat, vilket gör att excitatoner, som är kvantiserade exitationer inom molekylära aggregat, kan delokaliseras över flera enheter. Denna delokalisation leder till större oscillerande styrkor hos aggregaten, vilket gör det möjligt för dem att absorbera och emittera ljus mer effektivt än individuella molekyler.

Genom att vidare studera och simulera dessa vibroniska kopplingar i både lösning och aggregatform, får vi en bättre förståelse för hur squarainmolekyler beter sig vid olika former av extern stimulans och under olika fysiska förhållanden. Experimentella resultat och teoretiska simuleringar visar tydligt att den svaga kopplingen till höga frekvenser och den starka kopplingen till lågfrekventa vibrationer är avgörande för de optiska egenskaperna hos squaraines. Detta gör dem till lovande kandidater för teknologier som utnyttjar stark och ultrastrong koppling, särskilt om vibroniska kopplingar kan minskas ytterligare genom att skapa molekylära tunna filmer av squaraines.

Vidare forskning kan ge mer insikt i hur dessa molekyler kan optimeras för praktiska tillämpningar. För att fullt ut förstå deras potential, både för teoretiska modeller och för praktiska teknologier, är det viktigt att beakta hur J-aggregatets sammansättning och molekylens strukturella arrangemang påverkar de elektroniska och optiska egenskaperna, och hur dessa i sin tur påverkar de möjliga tillämpningarna inom molekylär elektronik och fotonik.

Hur molekyladsorption påverkar nanotubers optiska minne och exciton-interaktioner

Trots att vi mätte vid olika effektnivåer, såg vi inte någon tydlig effekt av effekten på adsorptionstiden, vilket var förväntat, eftersom adsorptionstiden endast beror på kollisionsfrekvensen mellan molekylerna om kylningstiden för provet inte begränsar den experimentella upplösningen. En ökning av luftfuktigheten skulle kunna förkorta adsorptionstiden, eftersom kollisionsfrekvensen beror på molekylernas partialtryck. Denna observation understryker CNTs potentiella användning i ultrasmala optiska minnen och omkopplare, där storleksbegränsningar som uppstår på grund av fotoniska håligheter kan överskridas. CNTs, som är teleskopbandutsläppare och kan integreras med kisel-fotonik, erbjuder därför en lovande möjlighet för optiska enheter som fungerar på molekylär nivå.

Vidare kan den fotoluminiscenta spektrumet för CNTs uppvisar subtila skillnader beroende på om nanotuben är i sitt rena eller adsorberade tillstånd. I det adsorberade tillståndet observeras en rödskiftning i både E11- och E22-resonansen, vilket är ett direkt resultat av molekyladsorptionen. Dessa förändringar är särskilt tydliga vid olika gate-spänningar, där en minskad energiövergång mellan E11 och trion har observerats.

För att kvantifiera effekten av molekylär skärmning på trionbindningsenergin har vi genomfört mätningar på nanotuber med olika chiraliteter. Resultaten visar en minskad energiseparation mellan E11-exciton och trion för de adsorberade nanotuberna. Detta tyder på att skärmningseffekten från de adsorberade molekylerna reducerar trionbindningsenergin, vilket leder till en mindre energiövergång än i det rena tillståndet. Dessa observationer bekräftar den teoretiska modellen där både trionbindningsenergin och singlet-triplet uppdelningen minskar under adsorption, vilket gör det möjligt att förstå och optimera CNTs för användning i optiska minnen.