Plasmonic nanostructures capable of converting light to heat have found wide applications, thus giving rise to the field of thermoplasmonics. Among them, the use of gold-based plasmonic structures in near-infrared (NIR) spectral regions has catalyzed substantial research efforts due to the potential impact in clinical therapy applications. However, the photon scattering effect scaling with the square of the nanoparticle volume leads to high scattering and then low absorption efficiency. This limit has hindered the exploitation of gold nanoparticles, especially in NIR II regions above 1000 nm. Here, we make a step forward for overcoming this limitation by introducing hyperbolic metamaterial nanoparticles that are made of multi-layered gold/dielectric nanodisks and exhibit >70% absorption efficiency in the NIR II and III regions. Their high light-to-heat conversion is demonstrated by a much larger temperature increase than that of gold nanodisks with the same amount of gold. Efficient in vitro hyperthermia of living cells with negligible cytotoxicity shows the potential of our platform for versatile bio-medical applications.

1.
G.
Baffou
,
F.
Cichos
, and
R.
Quidant
,
Nat. Mater.
19
,
946
(
2020
).
2.
B.
Pelaz
,
V.
Grazu
,
A.
Ibarra
,
C.
Magen
,
P.
del Pino
, and
J. M.
de la Fuente
,
Langmuir
28
,
8965
(
2012
).
3.
Y. Y.
Su
,
X. P.
Wei
,
F.
Peng
,
Y. L.
Zhong
,
Y. M.
Lu
,
S.
Su
,
T. T.
Xu
,
S. T.
Lee
, and
Y.
He
,
Nano Lett.
12
,
1845
(
2012
).
4.
K.
Kantner
,
J.
Rejman
,
K. V. L.
Kraft
,
M. G.
Soliman
,
M. V.
Zyuzin
,
A.
Escudero
,
P.
del Pino
, and
W. J.
Parak
,
Chem.—Eur. J.
24
,
2098
(
2018
).
5.
V.
Ntziachristos
and
D.
Razansky
,
Chem. Rev.
110
,
2783
(
2010
).
6.
Y.
Jiang
,
H. J.
Lee
,
L.
Lan
,
H.
Tseng
,
C.
Yang
,
H.-Y.
Man
,
X.
Han
, and
J.-X.
Cheng
, BioRxiv (
2018
).
7.
H. H.
Shin
,
J. J.
Koo
,
K. S.
Lee
, and
Z. H.
Kim
,
Appl. Mater. Today
16
,
112
(
2019
).
8.
L.
Lin
,
J.
Zhang
,
X.
Peng
,
Z.
Wu
,
A. C. H.
Coughlan
,
Z.
Mao
,
M. A.
Bevan
, and
Y.
Zheng
,
Sci. Adv.
3
,
e1700458
(
2017
).
9.
M.
Zhu
,
G.
Baffou
,
N.
Meyerbröker
, and
J.
Polleux
,
ACS Nano
6
,
7227
(
2012
).
10.
S. K.
Rastogi
,
R.
Garg
,
M. G.
Scopelliti
,
B. I.
Pinto
,
J. E.
Hartung
,
S.
Kim
,
C. G. E.
Murphey
,
N.
Johnson
,
D. S.
Roman
,
F.
Bezanilla
,
J. F.
Cahoon
,
M. S.
Gold
,
M.
Chamanzar
, and
T.
Cohen-Karni
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U S A.
117
,
13339
(
2020
).
11.
H.
Kang
,
W.
Hong
,
Y.
An
,
S.
Yoo
,
H. J.
Kwon
, and
Y.
Nam
,
ACS Nano
14
,
11406
(
2020
).
12.
M. F.
Tsai
,
S. H. G.
Chang
,
F. Y.
Cheng
,
V.
Shanmugam
,
Y. S.
Cheng
,
C. H.
Su
, and
C. S.
Yeh
,
ACS Nano
7
,
5330
(
2013
).
13.
A. M.
Smith
,
M. C.
Mancini
, and
S. M.
Nie
,
Nat. Nanotechnol.
4
,
710
(
2009
).
14.
X. G.
Ding
,
C. H.
Liow
,
M. X.
Zhang
,
R. J.
Huang
,
C. Y.
Li
,
H.
Shen
,
M. Y.
Liu
,
Y.
Zou
,
N.
Gao
,
Z. J.
Zhang
,
Y. G.
Li
,
Q. B.
Wang
,
S. Z.
Li
, and
J.
Jiang
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
15684
(
2014
).
15.
A. N.
Bashkatov
,
E. A.
Genina
,
V. I.
Kochubey
, and
V. V.
Tuchin
,
J. Phys. D
38
,
2543
(
2005
).
16.
L.
Shi
,
L. A.
Sordillo
,
A.
Rodríguez-Contreras
, and
R.
Alfano
,
J. Biophotomics
9
,
38
(
2016
).
17.
E. D.
Onal
and
K.
Guven
,
J. Phys. Chem. C
121
,
684
(
2017
).
18.
X.
Wang
,
Y. C.
Ma
,
X.
Sheng
,
Y. C.
Wang
, and
H. X.
Xu
,
Nano Lett.
18
,
2217
(
2018
).
19.
J. E.
Park
,
M.
Kim
,
J. H.
Hwang
, and
J. M.
Nam
,
Small Methods
1
,
1600032
(
2017
).
20.
Z. C.
Wu
,
W. P.
Li
,
C. H.
Luo
,
C. H.
Su
, and
C. S.
Yeh
,
Adv. Funct. Mater.
25
,
6527
(
2015
).
21.
L. M.
Maestro
,
P.
Haro-Gonzalez
,
B.
del Rosal
,
J.
Ramiro
,
A. J.
Caamano
,
E.
Carrasco
,
A.
Juarranz
,
F.
Sanz-Rodriguez
,
J. G.
Sole
, and
D.
Jaque
,
Nanoscale
5
,
7882
(
2013
).
22.
J. J.
Zhou
,
Y. Y.
Jiang
,
S.
Hou
,
P. K.
Upputuri
,
D.
Wu
,
J. C.
Li
,
P.
Wang
,
X.
Zhen
,
M.
Pramanik
,
K. Y.
Pu
, and
H. W.
Duan
,
ACS Nano
12
,
2643
(
2018
).
23.
Q.
Zhang
,
J. P.
Ge
,
T.
Pham
,
J.
Goebl
,
Y. X.
Hu
,
Z.
Lu
, and
Y. D.
Yin
,
Angew. Chem.,-Int. Ed.
48
,
3516
(
2009
).
24.
Y. Y.
Cao
,
J. H.
Dou
,
N. J.
Zhao
,
S. M.
Zhang
,
Y. Q.
Zheng
,
J. P.
Zhang
,
J. Y.
Wang
,
J.
Pei
, and
Y. P.
Wang
,
Chem. Mater.
29
,
718
(
2017
).
25.
P.
Huang
,
P. F.
Rong
,
J.
Lin
,
W. W.
Li
,
X. F.
Yan
,
M. G.
Zhang
,
L. M.
Nie
,
G.
Niu
,
J.
Lu
,
W.
Wang
, and
X. Y.
Chen
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
8307
(
2014
).
26.
J. Y.
Chen
,
C.
Glaus
,
R.
Laforest
,
Q.
Zhang
,
M. X.
Yang
,
M.
Gidding
,
M. J.
Welch
, and
Y. N.
Xia
,
Small
6
,
811
(
2010
).
27.
S. A.
Maier
,
Plasmonics: Fundamentals and Applications
(
Springer US
,
2007
).
28.
L. Y.
Jiang
,
T. T.
Yin
,
Z. G.
Dong
,
H. L.
Hu
,
M. Y.
Liao
,
D.
Allioux
,
S. J.
Tan
,
X. M.
Goh
,
X. Y.
Li
,
J. K. W.
Yang
, and
Z. X.
Shen
,
ACS Photonics
2
,
1217
(
2015
).
29.
J. A.
Huang
and
L. B.
Luo
,
Adv. Opt. Mater.
6
,
1701282
(
2018
).
30.
J.
Olson
,
S.
Dominguez-Medina
,
A.
Hoggard
,
L. Y.
Wang
,
W. S.
Chang
, and
S.
Link
,
Chem. Soc. Rev.
44
,
40
(
2015
).
31.
P.
Vijayaraghavan
,
C. H.
Liu
,
R.
Vankayala
,
C. S.
Chiang
, and
K. C.
Hwang
,
Adv. Mater.
26
,
6689
(
2014
).
32.
J.
Hao
,
J.
Wang
,
X.
Liu
,
W. J.
Padilla
,
L.
Zhou
, and
M.
Qiu
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
251104
(
2010
).
33.
Y.
Li
,
D.
Li
,
C.
Chi
, and
B.
Huang
,
J. Phys. Chem. C
121
,
16481
(
2017
).
34.
M. K.
Anam
and
S.
Choi
,
Nanomaterials
10
,
258
(
2020
).
35.
A. V.
Kildishev
,
A.
Boltasseva
, and
V. M.
Shalaev
,
Science
339
,
6
(
2013
).
36.
N.
Maccaferri
,
Y.
Zhao
,
T.
Isoniemi
,
M.
Iarossi
,
A.
Parracino
,
G.
Strangi
, and
F.
De Angelis
,
Nano Lett.
19
,
1851
(
2019
).
37.
J.
Kuttruff
,
A.
Gabbani
,
G.
Petrucci
,
Y.
Zhao
,
M.
Iarossi
,
E.
Pedrueza-Villalmanzo
,
A.
Dmitriev
,
A.
Parracino
,
G.
Strangi
,
F.
De Angelis
,
D.
Brida
,
F.
Pineider
, and
N.
Maccaferri
,
Phys. Rev. Lett.
127
,
217402
(
2021
).
38.
T.
Isoniemi
,
N.
Maccaferri
,
Q. M.
Ramasse
,
G.
Strangi
, and
F.
De Angelis
,
Adv. Opt. Mater.
8
,
2000277
(
2020
).
39.
N.
Maccaferri
,
T.
Isoniemi
,
M.
Hinczewski
,
M.
Iarossi
,
G.
Strangi
, and
F.
De Angelis
,
APL Photonics
5
,
76109
(
2020
).
40.
N.
Maccaferri
,
A.
Zilli
,
T.
Isoniemi
,
L.
Ghirardini
,
M.
Iarossi
,
M.
Finazzi
,
M.
Celebrano
, and
F.
De Angelis
,
ACS Photonics
8
,
512
(
2021
).
41.
Y.
Zhao
,
A.
Hubarevich
,
M.
Iarossi
,
T.
Borzda
,
F.
Tantussi
,
J. A.
Huang
, and
F.
De Angelis
,
Adv. Opt. Mater.
9
,
2100888
(
2021
).
42.
G.
Palermo
,
K. V.
Sreekanth
,
N.
Maccaferri
,
G. E.
Lio
,
G.
Nicoletta
,
F.
De Angelis
,
M.
Hinczewski
, and
G.
Strangi
,
Nanophotonics
10
,
295
(
2020
).
43.
V.
Caligiuri
,
A.
Pianelli
,
M.
Miscuglio
,
A.
Patra
,
N.
Maccaferri
,
R.
Caputo
, and
A.
De Luca
,
ACS Appl. Nano Mater.
3
,
12218
(
2020
).
44.
J. F.
Du
,
X. P.
Zheng
,
Y.
Yong
,
J.
Yu
,
X. H.
Dong
,
C. Y.
Zhang
,
R. Y.
Zhou
,
B.
Li
,
L.
Yan
,
C. Y.
Chen
,
Z. J.
Gu
, and
Y. L.
Zhao
,
Nanoscale
9
,
8229
(
2017
).
45.
C.
Langhammer
,
B.
Kasemo
, and
I.
Zoric
,
J. Chem. Phys.
126
,
194702
(
2007
).
46.
H.
Fredriksson
,
Y.
Alaverdyan
,
A.
Dmitriev
,
C.
Langhammer
,
D. S.
Sutherland
,
M.
Zaech
, and
B.
Kasemo
,
Adv. Mater.
19
,
4297
(
2007
).
47.
C. T.
Riley
,
J. S. T.
Smalley
,
J. R. J.
Brodie
,
Y.
Fainman
,
D. J.
Sirbuly
, and
Z.
Liu
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
114
,
1264
(
2017
).
48.
D. K.
Roper
,
W.
Ahn
, and
M.
Hoepfner
,
J. Phys. Chem. C
111
,
3636
(
2007
).
49.
G.
Baffou
,
R.
Quidant
, and
F. J.
García De Abajo
,
ACS Nano
4
,
709
(
2010
).
50.
A.
Alabastri
,
S.
Tuccio
,
A.
Giugni
,
A.
Toma
,
C.
Liberale
,
G.
Das
,
F.
De Angelis
,
E.
Di Fabrizio
, and
R. P.
Zaccaria
,
Materials
6
,
4879
4910
(
2013
).
51.
P.
Wang
,
A. V.
Krasavin
,
F. N.
Viscomi
,
A. M.
Adawi
,
J.-S. G.
Bouillard
,
L.
Zhang
,
D. J.
Roth
,
L.
Tong
, and
A. V.
Zayats
,
Laser Photonics Rev.
12
,
1800179
(
2018
).
52.
S.
Yoo
,
J.-H.
Park
, and
Y.
Nam
,
ACS Nano
13
,
544
(
2019
).
53.
Y. W.
Jiang
,
J. L.
Carvalho-de-Souza
,
R. C. S.
Wong
,
Z. Q.
Luo
,
D.
Isheim
,
X. B.
Zuo
,
A. W.
Nicholls
,
I. W.
Jung
,
J. P.
Yue
,
D. J.
Liu
,
Y. C.
Wang
,
V.
De Andrade
,
X. H.
Xiao
,
L.
Navrazhnykh
,
D. E.
Weiss
,
X. Y.
Wu
,
D. N.
Seidman
,
F.
Bezanilla
, and
B. Z.
Tian
,
Nat. Mater.
15
,
1023
(
2016
).
54.
D.
Rodrigo
,
A.
Tittl
,
N.
Ait-Bouziad
,
A.
John-Herpin
,
O.
Limaj
,
C.
Kelly
,
D.
Yoo
,
N. J.
Wittenberg
,
S. H.
Oh
,
H. A.
Lashuel
, and
H.
Altug
,
Nat. Commun.
9
,
2160
(
2018
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.