Second Harmonic Generation (SHG) from BiFeO3 nanocrystals is investigated for the first time to determine their potential as biomarkers for multiphoton imaging. Nanocrystals are produced by an auto-combustion method with 2-amino-2-hydroxymethyl-propane-1,3-diol as a fuel. Stable colloidal suspensions with mean particle diameters in the range 100–120 nm are then obtained after wet-milling and sonication steps. SHG properties are determined using two complementary experimental techniques, Hyper Rayleigh Scattering and nonlinear polarization microscopy. BiFeO3 shows a very high second harmonic efficiency with an averaged 〈d〉 coefficient of 79 ± 12 pm/V. From the nonlinear polarization response of individual nanocrystals, relative values of the independent dij coefficients are also determined and compared with recent theoretical and experimental studies. Additionally, the particles show a moderate magnetic response, which is attributed to γ-Fe2O3 impurities. A combination of high nonlinear optical efficiency and magnetic response within the same particle is of great interest for future bio-imaging and diagnostic applications.

1.
L.
Bonacina
,
Y.
Mugnier
,
F.
Courvoisier
,
R. Le
Dantec
,
J.
Extermann
,
Y.
Lambert
,
V.
Boutou
,
C.
Galez
, and
J.-P.
Wolf
,
Appl. Phys. B
87
,
399
(
2007
).
2.
M.
Zielinski
,
D.
Oron
,
D.
Chauvat
, and
J.
Zyss
,
Small
5
,
2835
(
2009
).
3.
A. V.
Kachynski
,
A. N.
Kuzmin
,
M.
Nyk
,
I.
Roy
, and
P. N.
Prasad
,
J. Phys. Chem. C
112
,
10721
(
2008
).
4.
L. Le
Xuan
,
C.
Zhou
,
A.
Slablab
,
D.
Chauvat
,
C.
Tard
,
S.
Perruchas
,
T.
Gacoin
,
P.
Villeval
, and
J.-F.
Roch
,
Small
4
,
1332
(
2008
).
5.
C.-L.
Hsieh
,
R.
Grange
,
Y.
Pu
, and
D.
Psaltis
,
Opt. Express
17
,
2880
(
2009
).
6.
P.
Pantazis
,
J.
Maloney
,
D.
Wu
, and
S. E.
Fraser
,
Proc. Natl. Acad. Sci., U.S.A.
107
,
14535
(
2010
).
7.
J.
Extermann
,
L.
Bonacina
,
E.
Cuña
,
C.
Kasparian
,
Y.
Mugnier
,
T.
Feurer
, and
J.-P.
Wolf
,
Opt. Express
17
,
15342
(
2009
).
8.
W. P.
Dempsey
,
S. E.
Fraser
, and
P.
Pantazis
,
BioEssays
34
,
351
(
2012
).
9.
10.
R.
Ladj
,
M. El
Kass
,
Y.
Mugnier
,
R. Le
Dantec
,
H.
Fessi
,
C.
Galez
, and
A.
Elaissari
,
Cryst. Growth Des.
12
,
5387
(
2012
).
11.
B.
Knabe
,
K.
Buse
,
W.
Assenmacher
, and
W.
Mader
,
Phys. Rev. B
86
,
195428
(
2012
).
12.
A.
Sergeyev
,
R.
Geiss
,
A. S.
Solntsev
,
A.
Steinbrück
,
F.
Schrempel
,
E.-B.
Kley
,
T.
Pertsch
, and
R.
Grange
,
Opt. Express
21
,
19012
(
2013
).
13.
Y.
Nakayama
,
P. J.
Pauzauskie
,
A.
Radenovic
,
R. M.
Onorato
,
R. J.
Saykally
,
J.
Liphardt
, and
P.
Yang
,
Nature
447
,
1098
(
2007
).
14.
L.
Mayer
,
A.
Slablab
,
G.
Dantelle
,
V.
Jacques
,
A.-M.
Lepagnol-Bestel
,
S.
Perruchas
,
P.
Spinicelli
,
A.
Thomas
,
D.
Chauvat
,
M.
Simonneau
,
T.
Gacoin
, and
J.-F.
Roch
,
Nanoscale
5
,
8466
(
2013
).
15.
E.
Kim
,
A.
Steinbrück
,
M. T.
Buscaglia
,
V.
Buscaglia
,
T.
Pertsch
, and
R.
Grange
,
ACS Nano
7
,
5343
(
2013
).
16.
B. E.
Urban
,
P. B.
Neogi
,
S. J.
Butler
,
Y.
Fujita
, and
A.
Neogi
,
J. Biophoton.
5
,
283
(
2012
).
17.
S.
Winter
,
M.
Zielinski
,
D.
Chauvat
,
J.
Zyss
, and
D.
Oron
,
J. Phys. Chem. C
115
,
4558
(
2011
).
18.
D.
Staedler
,
T.
Magouroux
,
R.
Hadji
,
C.
Joulaud
,
J.
Extermann
,
S.
Schwung
,
S.
Passemard
,
C.
Kasparian
,
G.
Clarke
,
M.
Gerrmann
 et al.,
ACS Nano
6
,
2542
(
2012
).
19.
A. M.
Derfus
,
W. C. W.
Chan
, and
S. N.
Bhatia
,
Nano Lett.
4
,
11
(
2004
).
20.
D.
Lebeugle
,
D.
Colson
,
A.
Forget
, and
M.
Viret
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
022907
(
2007
).
21.
S.
Ju
,
T.-Y.
Cai
, and
G.-Y.
Guo
,
J. Chem. Phys.
130
,
214708
(
2009
).
22.
R. C.
Haislmaier
,
N. J.
Podraza
,
S.
Denev
,
A.
Melville
,
D. G.
Schlom
, and
V.
Gopalan
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
031906
(
2013
).
23.
T.-J.
Park
,
G. C.
Papaefthymiou
,
A. J.
Viescas
,
A. R.
Moodenbaugh
, and
S. S.
Wong
,
Nano Lett.
7
,
766
(
2007
).
24.
R.
Guo
,
L.
Fang
,
W.
Dong
,
F.
Zheng
, and
M.
Shen
,
J. Mater. Chem.
21
,
18645
(
2011
).
25.
R.
Mazumder
,
P. S.
Devi
,
D.
Bhattacharya
,
P.
Choudhury
,
A.
Sen
, and
M.
Raja
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
062510
(
2007
).
26.
J.
Gao
,
H.
Gu
, and
B.
Xu
,
Acc. Chem Res.
42
,
1097
(
2009
).
27.
D.
Staedler
,
T.
Magouroux
,
S.
Passemard
,
S.
Schwung
,
M.
Dubled
,
G. S.
Schneiter
,
D.
Rytz
,
S.
Gerber-Lemaire
,
L.
Bonacina
, and
J.-P.
Wolf
,
Nanoscale
6
,
2929
(
2014
).
28.
M. I.
Morozov
,
N. A.
Lomanova
, and
V. V.
Gusarov
,
Russ. J. Gen. Chem.
73
,
1676
(
2003
).
29.
S. M.
Selbach
,
M.-A.
Einarsrud
, and
T.
Grande
,
Chem. Mater.
21
,
169
(
2009
).
30.
N.
Birks
,
G. H.
Meier
, and
F. S.
Pettit
,
Introduction to the High Temperature Oxidation of Metals
(
Cambridge University Press
,
2006
).
31.
J.-T.
Han
,
Y.-H.
Huang
,
X.-J.
Wu
,
C.-L.
Wu
,
W.
Wei
,
B.
Peng
,
W.
Huang
, and
J. B.
Goodenough
,
Adv. Mater.
18
,
2145
(
2006
).
32.
L.
Wu
,
C.
Dong
,
H.
Chen
,
J.
Yao
,
C.
Jiang
, and
D.
Xue
,
J. Am. Ceram. Soc.
95
,
3922
(
2012
).
33.
G.
Biasotto
,
A. Z.
Simões
,
C. R.
Foschini
,
M. A.
Zaghete
,
J. A.
Varela
, and
E.
Longo
,
Mater. Res. Bull.
46
,
2543
(
2011
).
34.
C.
Goia
,
E.
Matijević
, and
D. V.
Goia
,
J. Mater. Res.
20
,
1507
(
2005
).
35.
C.
Feldmann
and
H.-O.
Jungk
,
Angew. Chem. Int. Ed.
40
,
359
(
2001
).
36.
D.
Maity
,
S. N.
Kale
,
R.
Kaul-Ghanekar
,
J.-M.
Xue
, and
J.
Ding
,
J. Magn. Magn. Mater.
321
,
3093
(
2009
).
37.
E. A. V.
Ferri
,
I. A.
Santos
,
E.
Radovanovic
,
R.
Bonzanini
, and
E. M.
Girotto
,
J. Braz. Chem. Soc.
19
,
1153
(
2008
).
38.
X.
Wang
,
Y.
Zhang
, and
Z.
Wu
,
Mater. Lett.
64
,
486
(
2010
).
39.
Y.
Hu
,
L.
Fei
,
Y.
Zhang
,
J.
Yuan
,
Y.
Wang
, and
H.
Gu
,
J. Nanomaterials
2011
, Article ID
797639
(
2011
).
40.
M. P.
Pechini
, US Patent 3,330,697 (
1967
).
41.
K. C.
Patil
,
S. T.
Aruna
, and
S.
Ekambaram
,
Curr. Opin. Solid State Mater. Sci.
2
,
158
(
1997
).
42.
K. C.
Patil
,
S. T.
Aruna
, and
T.
Mimani
,
Curr. Opin. Solid State Mater. Sci.
6
,
507
(
2002
).
43.
S.
Farhadi
and
M.
Zaidi
,
J. Mol. Catal. Chem.
299
,
18
(
2009
).
44.
S.
Vijayanand
,
H. S.
Potdar
, and
P. A.
Joy
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
182507
(
2009
).
45.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4895836 for block diagram of the synthesis, BFO samples used for optical and/or magnetic characterizations and literature values of BFO nonlinear coefficients.
46.
V. S.
Nguyen
,
D.
Rouxel
,
R.
Hadji
,
B.
Vincent
, and
Y.
Fort
,
Ultrason. Sonochem.
18
,
382
(
2011
).
47.
A.
Kumar
,
R. C.
Rai
,
N. J.
Podraza
,
S.
Denev
,
M.
Ramirez
,
Y.-H.
Chu
,
L. W.
Martin
,
J.
Ihlefeld
,
T.
Heeg
,
J.
Schubert
,
D. G.
Schlom
,
J.
Orenstein
,
R.
Ramesh
,
R. W.
Collins
,
J. L.
Musfeldt
, and
V.
Gopalan
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
121915
(
2008
).
48.
R. L.
Sutherland
,
Handbook of Nonlinear Optics
(
Marcel Dekker
,
2003
).
49.
H.
Yokota
,
R.
Haumont
,
J.-M.
Kiat
,
H.
Matsuura
, and
Y.
Uesu
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
082904
(
2009
).
50.
S.
Ju
and
T.-Y.
Cai
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
112506
(
2009
).
51.
R. J.
Zeches
,
M. D.
Rossell
,
J. X.
Zhang
,
A. J.
Hatt
,
Q.
He
,
C.-H.
Yang
,
A.
Kumar
,
C. H.
Wang
,
A.
Melville
,
C.
Adamo
,
G.
Sheng
,
Y.-H.
Chu
,
J. F.
Ihlefeld
,
R.
Erni
,
C.
Ederer
,
V.
Gopalan
,
L. Q.
Chen
,
D. G.
Schlom
,
N. A.
Spaldin
,
L. W.
Martin
, and
R.
Ramesh
,
Science
326
,
977
(
2009
).
52.
R. Le
Dantec
,
Y.
Mugnier
,
G.
Djanta
,
L.
Bonacina
,
J.
Extermann
,
L.
Badie
,
C.
Joulaud
,
M.
Gerrmann
,
D.
Rytz
,
J. P.
Wolf
, and
C.
Galez
,
J. Phys. Chem. C
115
,
15140
(
2011
).
53.
C.
Joulaud
,
Y.
Mugnier
,
G.
Djanta
,
M.
Dubled
,
J.-C.
Marty
,
C.
Galez
,
J.-P.
Wolf
,
L.
Bonacina
, and
R. Le
Dantec
,
J. Nanobiotechnol.
11
,
S8
(
2013
).
54.
F.
Huang
,
Z.
Wang
,
X.
Lu
,
J.
Zhang
,
K.
Min
,
W.
Lin
,
R.
Ti
,
T.
Xu
,
J.
He
,
C.
Yue
, and
J.
Zhu
,
Sci. Rep.
3
, Article No.
2907
(
2013
).
55.
D.
Staedler
,
S.
Passemard
,
A.
Rogov
,
C. Manus
Maguire
,
B. M.
Mohamed
,
S.
Schwung
,
D.
Rytz
,
T.
Jüstel
,
S.
Hwu
,
Y.
Mugnier
,
R. Le
Dantec
,
Y.
Volkov
,
S.
Gerber-Lemaire
,
L.
Bonacina
, and
J.-P.
Wolf
, “Cellular uptake and biocompatibility of bismuth ferrite harmonic advanced nanoparticles,”
Nanomedicine
(submitted).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.