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Nanogaps for Nanoantenna-Assisted Infrared Spectroscopy

Weber, Daniel

German Title: Nanolücken für Nanoantennen-unterstützte Infrarot-Spektroskopie

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Abstract

Lithograhically prepared gold nanorods, showing antenna-like plasmon resonances in the infrared (IR) spectral range, are able to strongly enhance local electromagnetic fields. This can be exploited for nanoantenna-assisted IR spectroscopy (NAIRS), a sensing application allowing detection of very small amounts of molecules (attomol). Since near-field coupling between nanorods over small gaps considerably increases the field enhancement, the main focus of the thesis was the characterization and preparation of gaps in the sub-10nm range. Therefore, two approaches were applied: the narrowing of lithographically prepared gaps (20 – 50 nm) by chemically induced metal deposition, on the one hand, and the milling of long rods by focused ion beams (FIB) on the other hand. IR optical investigations of the grown or milled nanorods allowed non-destructive assessment of the fabrication quality. In regard to the chemical method, gaps in the range of 10nm were presumably prepared, whereas FIB milling resulted in gaps down to 20 nm. In addition, near-field and far-field coupling effects in nanorod arrays were analyzed to determine the optimal rod arrangement for NAIRS. Finally, the probe molecule mercaptoundecanoic acid was spectroscopically investigated with the help of gold nanoantennas and enhancement factors up to 48 000 were estimated.

Translation of abstract (German)

Lithographisch hergestellte Gold-Nanodrähte weisen antennenartige Plasmonenresonanzen im infraroten (IR) Spektralbereich auf und sind in der Lage, lokale elektromagnetische Felder beträchtlich zu verstärken. Dies kann für Nanoantennen-unterstütze Infrarot- Spektroskopie (NAIRS), eine Sensoranwendung welche die Detektion kleinster Mengen an Molekülen (attomol) erlaubt, ausgenutzt werden. Da Nahfeldkopplung über Lücken zwischen Nanodrähten die Feldverstärkung bedeutend vergrößert, lag der Hauptaugenmerk der Arbeit auf der Charakterisierung und Herstellung von Lücken im Bereich kleiner als 10 nm. Dazu wurden zwei Vorgehensweisen angewandt: zum einen das Verengen von lithographisch hergestellten Lücken (20 – 50 nm) durch chemisch induzierte Metallabscheidung und zum anderen das fokussierte Ionenstrahl (FIB)-Ätzen von langen Drähten. IR optische Untersuchungen der gewachsenen bzw. geätzten Nanodrähte ließen Rückschlüße auf die Herstellungsqualität zu. Mit der chemischen Methode wurden Lücken im Bereich von vermutlich 10nm hergestellt, wohingegen FIB-Ätzen zu Lücken bis zu 20nm Größe führte. Desweiteren wurden Nah- und Fernfeldkopplungseffekte in Nanodraht-Feldern analysiert, um die optimale Anordnung der Drähte für NAIRS zu bestimmen. Schließlich wurde das Testmolekül Mercaptoundekansäure mithilfe von Gold-Nanoantennen spektroskopisch untersucht und Verstärkungsfaktoren bis zu 48 000 abgeschätzt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Pucci, Prof. Dr. Annemarie
Date of thesis defense: 2. November 2011
Date Deposited: 03. Feb 2012 12:05
Date: 2011
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Infrarotspektroskopie, Nanopartikel
Uncontrolled Keywords: Plasmonik , Nanoantenne , Photochemisches Wachstuminfrared spectroscopy , plasmonic , nanoantenna , photochemical metal deposition
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