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Nanoantennenverstärkte Infrarotspektroskopie

Huck, Christian

English Title: Nanoantenna enhanced infrared spectroscopy

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PDF, German
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Abstract

Die Anregung von Plasmon-Polaritonen in länglichen metallischen Nanostrukturen kann dazu genutzt werden elektromagnetische Strahlung in Bereichen mit einer deutlich kleineren Ausdehnung als die verwendete Wellenlänge zu konzentrieren. Werden Moleküle in diese so genannten Hot-Spots gebracht, so werden deren IR-Schwingungsbanden verstärkt angeregt, falls die Energie beider Anregungen übereinstimmt. Dieser Effekt wird als oberflächenverstärkte Infrarotabsorption (SEIRA) bezeichnet. Im Rahmen dieser Arbeit wurden mehrere Strategien untersucht, mit dem Ziel möglichst kleine Molekülmengen nachzuweisen. Durch die Verwendung zweier gekoppelter Nanoantennen mit einer Lücke im Nanometerbereich konnten ca. 10000 Moleküle nachgewiesen und charakterisiert werden. In einem weiteren Experiment wurden freistehende Nanostrukturen untersucht, die nur partiell mit dem Substrat verbunden sind. Mit Hilfe dieses Ansatzes konnte die Verstärkung der Schwingungsbanden um eine Größenordnung vergrößert werden, was hauptsächlich auf eine erhöhte Nahfeldintensität durch Ausbildung stehender Wellen zwischen den Nanoantennen und dem verwendeten Substrat zurückgeführt wurde. Des Weiteren erwiesen sich inverse Nanostrukturen als ein vielversprechendes SEIRA-Substrat. Die plasmonischen Resonanzen dieser Strukturen wurden mit denen von Nanoantennen verglichen, was eine bemerkenswerte Übereinstimmung, in Einklang mit dem Babinetschen Prinzip, ergab. Ein Vergleich der SEIRA-Signale zeigte ein deutlich größeres Signal der inversen Strukturen bei identischer Adsorbatkonzentration.

Translation of abstract (English)

The excitation of plasmon polaritons in elongated metallic nanostructures can be used to confine electromagnetic radiation to areas with sub-wavelength extension. By placing molecules in these so-called hot-spots, the vibrational bands of these molecules will be enhanced, if the energy of both excitations is similar. This effect is referred to as surface-enhanced infrared absorption (SEIRA). In this work, several strategies have been studied, with the aim to detect an amount of molecules as small as possible. By using two coupled nanoantennas, separated by a gap in the nanometer range, the detection and characterization of only 10000 molecules was demonstrated. In another experiment, free-standing nanostructures, which are only partially connected to the substrate, were studied. It was shown that by using this approach, the enhancement can be increased by an additional order of magnitude, which was attributed to an increased near-field intensity as a result of standing waves between the nanoantennas and the substrate. Furthermore, it was shown that inverse nanostructures represent a promising SEIRA substrate. Their plasmonic resonances were compared to those of ordinary nanoantennas, revealing a remarkable agreement, which is in accordance with Babinet's principle. A comparison of SEIRA signals showed a significantly larger signal of inverse structures for the same adsorbate density.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Pucci, Prof. Dr. Annemarie
Date of thesis defense: 10 December 2015
Date Deposited: 21 Dec 2015 13:35
Date: 2015
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 530 Physics
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