用于动态核极化的多孔硅纳米颗粒的可控合成与表征

硅纳米颗粒（NPs）作为超极化磁共振成像（MRI）造影剂已被积极开发，其成像窗口接近一小时。然而，对与其高效超极化建立和长极化衰减相对应的结构特性理解不足，阻碍了NPs的发展进程。本工作研究了具有明确掺杂密度（从名义上未掺杂到高浓度硼或磷掺杂）的单晶多孔硅（PSi）NPs的动态核极化（DNP）。为制备此类PSi NPs，我们对电子级硅粉进行低负载金属辅助催化刻蚀，随后进行热氧化，以在Si/SiO$_2$界面形成悬挂键，即$P_b$中心。$P_b$中心是DNP所需未配对电子自旋的内源性来源。可控的制备和氧化过程使我们能够深入研究磁场、温度和掺杂对DNP过程的影响。我们认为，建立和衰减速率常数与大约10至60纳米之间的硅晶体尺寸无关。相反，这些速率受到穿过核自旋扩散势垒的极化转移的限制，该势垒由$P_b$中心中心$^{29}$Si核的大超精细位移决定。对于低掺杂和中度掺杂的硅，与尺寸无关的速率受掺杂程度的影响较弱，尽管需要轻微掺杂才能实现最高极化。因此，我们发现低硼掺杂PSi NPs在6.7 T和1.4 K下极化时，室温弛豫时间达到$75 \pm 3$分钟，核极化水平超过$\sim 6$%。因此，我们的研究为将Si NPs作为超极化造影剂的进一步发展奠定了坚实基础。