Časově rozlišená luminiscenční spektroskopie core-shell diamantovvých nanočástic

Abstract

Tato diplomová práce uvádí studii zabývající se heterogenitou doby života fluorescence center dusík-vakance ve fluorescenčních diamantových nanočásticích. Práce dále uvádí metodologii vytvořenou pro měření a vyhodnocení heterogenity luminiscenčních vlastností nanodiamantů s využitím jedno-částicových časově rozlišených luminiscenčních měření založených na časově korelovaném čítání jednotlivých fotonů (TCSPC). Rovněž je diskutována závislost doby života luminiscence nanodiamantů na indexu lomu okolního prostředí. Stejná metoda je aplikována na tzv. core-shell nanodiamanty shodného typu, obalené ve vrstvě oxidu křemičitého (silica), vytvořené novou metodou, což umožňuje přímé srovnání se zdrojovými diamantovými nanočásticemi. První část diplomové práce obsahuje teoretický přehled o nanodiamantovém materiálu a jeho klasifikaci, fluorescenčních poruchách dusík-vakance a jejich fluorescenčních vlastnostech, včetně jejich syntézy. Následující část popisuje použité experimentální metody a měřicí postupy v měření na jednotlivých částicích. Jsou představeny a vyhodnoceny optimální podmínky a metodologie přípravy vzorků a čištění substrátu za účelem splnění požadavků jako je přítomnost jednotlivých nanodiamantových krystalů na substrátu. Byl studován počet NV center ve zkoumaných částicích pomocí antibunchingu fotonů. Byla zjištěna přítomnost více NV center ve zkoumaných nanodiamantech. Měření na jednotlivých částicích byla provedena na větší populacích nanodiamantů za účelem určení a posouzení heterogenity doby života fluorescence. Dále byl zkoumán vliv indexu lomu okolního prostředí na intenzitu a dobu života fluorescence nanodiamantů. Vliv indexu lomu okolního prostředí na fluorescenční intenzitu nanodiamantů je funkcí vice definovaných faktorů. Bylo potvrzeno, že doba života fluorescence nanodiamantů se snižuje s rostoucím indexem lomu okolního prostředí.

This diploma thesis presents the study of fluorescent lifetime heterogeneity of nitrogen-vacancy centres in fluorescent diamond nanoparticles. The thesis also introduces the methodology developed for measurement and evaluation of heterogeneity of luminescence properties of nanodiamonds using single-particle time-resolved luminescence measurements based on Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC). The dependence of the luminescence lifetime of nanodiamonds on refractive index of the surrounding environment is discussed as well. Same method is applied on core-shell nanodiamonds of the same type, coated in silica shells of various thicknesses, created by a novel approach, which allows a comparison with the source diamond nanoparticles. First part of the thesis includes theoretical overview of nanodiamond material and its classification, fluorescent nitrogen-vacancy defects and their fluorescence properties as well as their synthesis. Following part of the thesis describes used experimental methods and measurements procedures in single-particle measurements. Optimal measurement conditions and methodology of sample preparation and substrate purification are demonstrated and evaluated to meet requirements such as single nanodiamond crystal distribution. Then the number of NV centres in measured particles was studied through observation of photon antibunching. Multiple NV centres in examined nanodiamonds were observed. Single-particle measurements were performed on greater populations of selected nanodiamonds in order to determine and assess fluorescence lifetime heterogeneity of nanodiamonds. Effect of the change of refractive index of surrounding media on fluorescence intensity and lifetime was investigated. The influence of refractive index of surrounding media on fluorescence intensity of NV centres showed to be a function of various defined factors. It was confirmed that fluorescence lifetime of nanodiamonds decreases in presence of the surrounding environment with increasing refractive index.