Untersuchung der plasmonischen Eigenschaften von Nanopartikeln und der plasmonischen Wechselwirkungen in Mehrkomponentennanopartikeln

Abstract

Plasmonische Nanopartikel faszinieren seit Jahrhunderten durch ihre intensive Farbe. In dieser Arbeit liegt der Fokus auf der Reaktion plasmonischer Nanopartikel auf externe Stimuli, mit dem Ziel die optischen Eigenschaften reversibel zu verändern. Zunächst wurde hierfür die Synthese von Nanopartikeln aus Materialien mit Metall-Isolator-Übergang verfolgt. Ein solcher Übergang geht mit einer Änderung der Ladungsträgerdichte einher, sodass die Präsenz der lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) mittels Temperaturänderung geschaltet werden kann. Hierfür sollten Synthesen für Nanopartikel aus Vanadium(IV)dioxid und Nickel(II)sulfidselenid entwickelt werden. Trotz Variationen von Präkursoren und Reaktionsbedingungen konnten keine Nanopartikel aus diesen Materialien synthetisiert werden. Weiterhin ist die spektrale Position einer LSPR abhängig von der Permittivität des umgebenden Mediums. Diese Abhängigkeit kann genutzt werden, um die LSPR durch Änderung der Umgebung der Nanopartikel zu schalten. Hierfür wurden erfolgreich konkave Nanopartikel aus dem plasmonischen Material Kupfer(I)sulfid über zwei verschiedene Routen synthetisiert. Durch Einlagerung von Nanopartikeln in die Kavitäten der konkaven Nanopartikeln ergibt sich eine Änderung der dielektrischen Umgebung der Nanopartikel, sodass eine Verschiebung der LSPR zu erwarten ist. Dies konnte experimentell jedoch nicht untersucht werden. Ebenso wurden zwei Arten dualplasmonischer Nanopartikel (Gold/Indium(III)zinn(IV)oxid und Gold/Kupfer(I,II)sulfid) synthetisiert. Durch die spektral getrennten LSPR war es mittels transienter Absorptionsspektroskopie möglich die Reaktion des Systems auf die resonante Anregung jeweils einer der beiden LSPR zu beobachten. Es zeigte sich eine transiente Antwort beider Materialien, unabhängig davon welche LSPR resonant angeregt wurde. Es konnte erstmals die Interaktion zweier LSPR in heterostrukturierten Nanopartikeln miteinander gezeigt werden. Die erhaltenen Daten legen nahe, dass diese Wechselwirkung auf Landau-Dämpfung beruht.

Plasmonic nanoparticles fascinate since hundreds of years because of their intense colours. This work focuses on the response of plasmonic nanoparticles to external stimuli, with the purpose of reversibly changing the optical properties. First, the synthesis of nanoparticles from materials with a metal-insulator-transition was pursued. This transition is accompanied by a change of the free charge carrier density, so that the presence of the localised surface plasmon resonance (LSPR) can be switched with a change in temperature. For this purpose synthesis of nanoparticles from vanadium(IV)dioxide and nickel(II)sulfideselenide should be developed. Despite variations in precursors and reaction conditions, no nanoparticles from these materials could be synthesised. Furthermore, the spectral position is depending on the permittivity of the surrounding media. This dependency can be used to switch the LSPR by changes in the surrounding of the nanoparticles. For this reason concave nanoparticles from the plasmonic material copper(I)sulfide were successfully synthesised via two different routes. The embedding of nanoparticles into cavities of concave nanoparticles results in a change of the dielectric surrounding of the nanoparticles, therefore a shift of the LSPR is expected. This could not be investigated experimentally. Moreover, two kinds of dualplasmonic nanoparticles (gold/indium(III)tin(IV)oxide and gold/copper(I,II)sulfide) were synthesised. The spectral separated LSPRs made it possible to observe the response of the system to the resonant excitation with transient absorption spectroscopy to excitation of one of the two LSPRs. Both materials showed a transient response regardless of which LSPR was resonantly excited. For the first time, the interaction of two LSPR with each other in heterostructured nanoparticles could be shown. The obtained data suggest, that this interaction is based on Landau-damping.