単一の窒化チタンナノ構造のプラズモニックナノスケール温度形成

ナノメートルスケールでの温度フィールドの任意の形成は、ナノテクノロジーの重要な目標です。ただし、これは熱伝達の拡散性のために困難です。現在の研究では、ナノスケール温度フィールドの空間型は、単一の窒化チタン（TIN）ナノ構造のプラズモニック加熱によって達成できることを数値的に実証しました。スズの重要な特徴は、Au（KAU = 314 [W M-1 K-1]）などの通常のプラズモニック金属と比較して、熱伝導率が低い（KTIN = 29 [W M-1 K-1]）です。金属ナノ構造の局所的な表面のプラズモン共鳴が励起されると、光強度は、ジュール加熱効果を介してナノ構造の熱電力密度に変換されます。金ナノ粒子の場合、Auの熱伝導率が高いため、熱電力密度の不均一な空間分布が消えます。ナノ粒子の表面は完全に等温になります。対照的に、熱放散が抑制されるため、熱電力密度の空間分布は、スズナノ構造の温度場に明確に転写できます。実際、励起波長に応じて数十ナノメートルの空間分解能で、高度に局所的な温度分布をスズナノ構造の周りで選択的に制御できることを明らかにしました。現在の結果は、プラズモニック加熱用のスズナノ構造の熱電力密度を設計することでナノメートルスケールでの任意の温度形成を達成できることを示しており、型にはまらない熱流体と熱化学生物学につながることを示しています。

Arbitrary shaping of temperature fields at the nanometre scale is an important goal in nanotechnology; however, this is challenging because of the diffusive nature of heat transfer. In the present work, we numerically demonstrated that spatial shaping of nanoscale temperature fields can be achieved by plasmonic heating of a single titanium nitride (TiN) nanostructure. A key feature of TiN is its low thermal conductivity (kTiN = 29 [W m-1 K-1]) compared with ordinary plasmonic metals such as Au (kAu = 314 [W m-1 K-1]). When the localised surface plasmon resonance of a metal nanostructure is excited, the light intensity is converted to heat power density in the nanostructure via the Joule heating effect. For a gold nanoparticle, non-uniform spatial distributions of the heat power density will disappear because of the high thermal conductivity of Au; the nanoparticle surface will be entirely isothermal. In contrast, the spatial distributions of the heat power density can be clearly transcribed into temperature fields on a TiN nanostructure because the heat dissipation is suppressed. In fact, we revealed that highly localised temperature distributions can be selectively controlled around the TiN nanostructure at a spatial resolution of several tens of nanometres depending on the excitation wavelength. The present results indicate that arbitrary temperature shaping at the nanometre scale can be achieved by designing the heat power density in TiN nanostructures for plasmonic heating, leading to unconventional thermofluidics and thermal chemical biology.