Ultrasensitive oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie mit maßgeschneiderten Nanopartikeln und Nanoantennen
König, Matthias - Universität Duisburg-Essen (2018)
Für die schwingungsspektroskopische Charakterisierung von Molekülen mittels oberflächenverstärkter Raman-Spektroskopie wurden maßgeschneiderte nanoskopische Strukturen zur Verstärkung des Raman-Signals eingesetzt - Nanopartikel und Nanoantennen. Die Synthese und Nanofabrikation von maßgeschneiderten Nanopartikeln und Nanoantennen sowie die mikroskopische und spektroskopische Untersuchung der optischen Eigenschaften der Nanostrukturen in unterschiedlichen Anwendungsbereichen ist Gegenstand dieser Arbeit.
Im ersten Teil der Arbeit werden zwei verschiedene Nanopartikelsysteme betrachtet. Durch die kontrollierte Synthese von sternenförmigen Nanopartikeln (Goldnanosternen) wurde die Anzahl und Form der Zacken gezielt variiert. Die katalytische Aktivität der Goldnanosterne verschiedener Morphologie ist anhand einer chemisch getriebenen Modellreaktion mittels zeitaufgelöster Raman-Spektroskopie analysiert worden. Aus den Ergebnissen konnte ein möglicher Reaktionsmechanismus für den nötigen Elektronentransfer entwickelt werden. Des Weiteren wurde eine schnelle und reproduzierbare Syntheseroute von Gold/Gold-Kern/Satellitenpartikeln mit durchstimmbaren plasmonischen Eigenschaften elaboriert. Die Raman-spektroskopische Charakterisierung der molekular-funktionalisierten Gold/Gold-Kern/Satellitenpartikeln zeigte die effiziente Verstärkung des inelastisch gestreuten Lichtes dieser Partikel. Damit besitzen die Partikel ein großes Potential für die späteren Anwendungen im Bereich der Nanodiagnostik.
Im zweiten Teil dieser Arbeit werden Untersuchungen zu den optischen Eigenschaften von metallischen und dielektrischen Nanoantennen gezeigt. Im Besonderen handelt es sich um Goldnanoantennen-Dimere und Siliziumnanoantennen-Dimere. Für die Nanofabrikation von metallischen Goldnanoantennen-Dimeren mittels Elektronenstrahllithographie sind zwei Verfahren für die Herstellung von Nanoantennen mit einem Abstand von wenigen Nanometern entwickelt worden. Die polarisationsaufgelösten Streuspektren einzelner Nanoantennen ließen Rückschlüsse auf die nanoskopische Struktur der Antennen zu.
Daneben ermöglichte eine homogene molekulare Funktionalisierung der Probe die Berechnung der Verstärkungsfaktor von einzelnen dielektrischen Siliziumnanoantennen-Dimeren für die oberflächenverstärkte Raman-Streuung und Fluoreszenz an demselben molekularen System. Weitergehend wurden aus einem theoretischen Vergleich mit Goldnanoantennen-Dimeren sowie aus der Bestimmung der spektroskopischen Temperatur der Antennen die Vor- und Nachteile der Siliziumnanoantennen-Dimere diskutiert.