Liganded silver and gold quantum clusters. Towards a new class of nonlinear optical nanomaterials

خوشه‌های کوانتومی فلزی متعلق به رژیم اندازه متوسط ​​بین دو تا چند صد اتم، بلوک‌های ساختمانی منحصربه‌فردی از مواد جدید را نشان می‌دهند. ویژگی‌های نوری غیرخطی (NLO) خوشه‌های کوانتومی نقره و طلا، ویژگی‌های قابل توجهی را نشان می‌دهند که می‌توانند بر اساس اندازه، ساختار و ترکیب تنظیم شوند. سطح مقطع جذب دو فوتونی خوشه های کوانتومی فلز نجیب لیگاند شده چندین مرتبه بزرگتر از رنگ های تجاری موجود است. بنابراین، درک بنیادی فوتوفیزیکی آن فرآیندهای دو فوتونی در خوشه‌های لیگاند شده با اتم‌های فلزی کمی، به ویژه در زمینه یافتن مکانیسم‌های مسئول این ویژگی‌ها، شایسته توجه ویژه است. طیف وسیعی از روش‌های آزمایشی پیشرفته برای تعیین خواص نوری غیرخطی (یعنی جذب دو فوتون، فلورسانس برانگیخته با دو فوتون و نسل دوم هارمونیک) خوشه‌های کوانتومی ارائه شده‌اند. تنظیمات تجربی و مفاهیم فیزیکی زیربنایی شرح داده شده است.
علاوه بر این، از مدل‌های نظری و رویکردهای مربوطه استفاده می‌شود که امکان توضیح مشاهدات تجربی را فراهم می‌کند و به طور همزمان امکان استنباط عوامل کلیدی لازم برای طراحی کلاس‌های جدید نانوخوشه‌ها با خواص NLO بزرگ را ارائه می‌دهد. علاوه بر این، موارد مورد مطالعه انتخاب شده از خوشه‌های کوانتومی نقره و طلا با تمرکز بر ویژگی‌های NLO به عنوان کاندیدهای امیدوارکننده برای کاربرد در تکنیک‌های تصویربرداری مانند میکروسکوپ فلورسانس یا میکروسکوپ نسل دوم هارمونیک ارائه می‌شوند.

Metallic quantum clusters belonging to intermediate size regime between two and few hundred of atoms, represent unique building blocks of new materials. Nonlinear optical (NLO) characteristics of liganded silver and gold quantum clusters reveal remarkable features which can be tuned by size, structure and composition. The two-photon absorption cross sections of liganded noble metal quantum clusters are several orders of magnitude larger than that of commercially-available dyes. Therefore, the fundamental photophysical understanding of those two-photon processes in liganded clusters with few metal atoms deserve special attention, in particularly in context of finding the mechanisms responsible for these properties. A broad range of state-of-the-art experimental methods to determine nonlinear optical properties (i.e. two-photon absorption, two-photon excited fluorescence and second harmonic generation) of quantum clusters are presented. The experimental setup and underlying physical concepts are described.
Furthermore, the theoretical models and corresponding approaches are used allowing to explain the experimental observations and simultaneously offering the possibility to deduce the key factors necessary to design new classes of nanoclusters with large NLO properties. Additionally, selected studied cases of liganded silver and gold quantum clusters with focus on their NLO properties will be presented as promising candidates for applications in imaging techniques such as fluorescence microscopy or Second-Harmonic Generation microscopy.