Хімія, фізика та технологія поверхні, 2024, 15 (3), 328-339.

Індуктивно-резонансний трансфер енергії в гібридних вуглецевих наноструктурах



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp15.03.328

O. Yu. Semchuk, O. O. Havryliuk, A. A. Biliuk

Анотація


Спираючись на перші принципи, ми показали, що вирішальну роль у передачі енергії від молекули флюорофора до вуглецевої підкладки (графену) відіграє індуктивно-резонансний механізм передачі енергії (механізм Фьорстера). Швидкість передачі енергії по механізму Фьорстера можна розрахувати аналітично за допомогою золотого правила Фермі із залежними від імпульсу початковими та кінцевими станами графенових підкладок і станами HOMO (найвища зайнята молекулярна орбіталь) і LUMO (найменша незайнята молекулярна орбіталь) молекули барвника. Поєднання розрахунків, що характеризують гібридні вуглецеві наноматеріали, з розглядом хвильових функцій графену на основі міцного зв’язку дозволило нам отримати аналітичний вираз для швидкості передачі енергії Фьорстера.Побудовано графічні залежності швидкості передачі енергії Фьорстера від відстані R між підкладкою (графеном) і молекулою барвника для кількох матеріалів. Отримані результати можуть бути застосовані для опису процесів передачі енергії в молекулярно-функціоналізованих наноструктурах, якщо відомі молекулярний дипольний момент і розділення субстрат-молекула.


Ключові слова


графен; вуглецеві нанотрубки; функціоналізований графен; молекула барвника; золоте правило Фермі; швидкість передачі енергії; молекули флуорофора; механізм Фьорстера; механізм Декстера; оптоелектроніка

Повний текст:

PDF (English)

Посилання


1. Kenfack G.M.D., Nya F.T., Bouba M.O., Malloum A., Conradie J. Optoelectrical, electronic, and thermodynamic DFT study of a carbon nanoring and its derivative: application as active layer material in organic solar cell performance improvement and nonlinear optics. J. Mol. Model. 2022. 29(1): 1. https://doi.org/10.1007/s00894-022-05384-5

2. Kubba R. Application of quantum mechanical calculations and symmetry in chemistry; vibration frequencies, corrosion inhibition. (B P International, 2021). https://doi.org/10.9734/bpi/mono/978-93-91882-61-7

3. Reich S., Thomsen C., Maultzsch J. Carbon nanotubes: basic concepts and physical properties. (John Wiley & Sons: New Jersey, 2008).

4. Ghosh S.K., Chattaraj P.K. Concepts and methods in modern theoretical chemistry: statistical mechanics. (Florida: Taylor & Francis Group, 2019).

5. Malic E., Knorr A. Graphene and carbon nanotubes: ultrafast optics and relaxation dynamics. (Willey-VCH: Berlin, 2013). https://doi.org/10.1002/9783527658749

6. Rai P., Shukla V.K. Carbon material-based nanoscale optics and plasmonics. (Singapore: Springer, 2024). https://doi.org/10.1007/978-981-99-7145-9_11

7. Malic E., Weber C., Richter M., Atalla V., Klamroth T., Saalfrank P., Reich S., Knorr A. Microscopic model of the optical absorption of carbon nanotubes functionalized with molecular spiropyran photoswitches. Phys. Rev. Lett. 2011, 106: 097401. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.097401

8. Nakagawa Y., Yu B., Niidome Y., Hayashi K., Staykov A., Yamada M., Nakashima T., Kawai T., Fujigaya T., Shiraki T. Photoisomerization of covalently attached diarylethene on locally functionalized single-walled carbon nanotubes for photoinduced wavelength switching of near-infrared photoluminescence. J. Phys. Chem. C. 2022. 126(25): 10478. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.2c02977

9. Yang M., Ye Z., Sun C. -H., Zhu L., Hajizadegan M., Chen P. -Y. A lightweight, zero-power intermodulation sensor based on the graphene oscillator. IEEE Sens. J. 2023. 23(3) 3243. https://doi.org/10.1109/JSEN.2022.3227891

10. Koyama T., Sugiura J., Koishi T., Ohashi R., Asaka K., Saito, T., Gao Y., Okada S., Kishida H. Excitation energy transfer by electron exchange via two-step electron transfer between a single-walled carbon nanotube and encapsulated magnesium porphyrin. J. Phys. Chem. C. 2020. 124(35): 19406. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c06766

11. Roquelet C., Garrot D., Lauret J.S., Voisin C., Alain-Rizzo V., Roussignol P., Delaire J.A., Deleporte E. Quantum efficiency of energy transfer in noncovalent carbon nanotube/porphyrin compounds. Appl. Phys. Lett. 2010. 9: 141918. https://doi.org/10.1063/1.3496470

12. Ernst F., Heek T., Setaro A., Haag R., Reich S. Energy transfer in nanotube-perylene complexes. Adv. Funct. Mater. 2012. 22(18): 3921. https://doi.org/10.1002/adfm.201200784

13. Gaudreau L., Tielrooij K.J., Prawiroatmodjo G.E., Osmond J., de Abajo F.J.G., Koppens F.H. Universal distance-scaling of nonradiative energy transfer to graphene. Nano Lett. 2013. 13(5): 2030. https://doi.org/10.1021/nl400176b

14. Forster T. Zwischenmolekulare energiewanderung und fluoreszenz. Ann. Phys. 1948. 437(1-2): 55. https://doi.org/10.1002/andp.19484370105

15. Dexter D.L. A Theory of sensitized luminescence in solids. J. Chem. Phys. 1953. 21(5): 836. https://doi.org/10.1063/1.1699044

16. Malic E, Appel H., Hoffman O.T., Rubio A. Forster-induced energy transfer in functionalized graphene. J. Chem. Phys. 2014. 118(17): 9283. https://doi.org/10.1021/jp5019636

17. Swathi R.S., Sebastian K.L. Distance dependence of fluorescence energy transfer. J. Chem. Sci. 2009. 121: 777. https://doi.org/10.1007/s12039-009-0092-x

18. Swathi R.S., Sebastian K.L. Excitation energy transfer from dye molecule to doped graphene. J. Chem. Sci. 2012. 124: 233. https://doi.org/10.1007/s12039-012-0221-9

19. Swathi R.S., Sebastian K.L. Resonance energy transfer from a dye molecule to graphene has (distance)-4 dependence. J. Chem. Phys. 2009. 139: 086101. https://doi.org/10.1063/1.3077292

20. Rathinavel S., Priyadharshini K., Panda D. A review on carbon nanotube: An overview of synthesis, properties, functionalization, characterization, and the application. Mater. Sci. Eng. B. 2021. 268: 115095. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2021.115095

21. Ali M.A. Quantum Hall Effect on Dirac electrons in modulated graphene. (arXiv, 2023).

22. Murphy C.B., Zhang Y., Troxler T., Ferry V., Martin J.J., Jones (Jr) W.E. Probing Forster and Dexter energy-transfer mechanisms in fluorescent conjugated polymer chemosensors. J. Phys. Chem B. 2004. 108(5): 1537. https://doi.org/10.1021/jp0301406

23. Gradshteyn I.S., Ryzhik I.M. Table of integrals, series, and products. (Elsevier, 2014).

24. Orucu H., Acar N. Effects of substituent groups and solvent media on Pyrene in ground and excited states: A DFT and TDDFT study. Comput. Theor. Chem. 2015. 1056: 11. https://doi.org/10.1016/j.comptc.2015.01.001

25. Skorjanc T., Shetty D., Valant M. Covalent Organic polymers and frameworks for fluorescence-based sensors. ACS Sensors. 2021. 6(4): 1461. https://doi.org/10.1021/acssensors.1c00183

26. Ma Y., Zhi L. Functionalized graphene materials: definitions, classification, and reparation strategies. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022. 38(1): 2101004. https://doi.org/10.3866/PKU.WHXB202101004




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp15.03.328

Copyright (©) 2024 O. Yu. Semchuk, O. O. Havryliuk, A. A. Biliuk

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.