Zusammenfassung: In dieser Arbeit wurde das Wachstum
sowie die
ultraschnelle Elektronendynamik des Oberflächenplasmon Polaritons von
Goldnanoteilchen auf Titandioxid untersucht. Die Messung der
Dephasierungszeit des Oberflächenplasmons von Nanoteilchen mit
definierter Form und Größe erfolgte dabei mit der Methode des spektralen
Lochbrennens.
Die Nanoteilchen wurden durch Deposition von Goldatomen aus einem
thermischen Atomstrahl mit anschließender Diffussion und Nukleation,
d.h. Volmer-Weber-Wachstum, auf Titandioxidsubstraten hergestellt und
mittels einer Kombination aus optischer Spektroskopie und
Rasterkraftmikroskopie systematisch untersucht.
Dabei lässt sich das
Nanoteilchenensemble durch das mittlere Achsverhältnis und den mittleren
Äquivalentradius charakterisieren. Die Messungen zeigen, dass die
Proben große Größen- und Formverteilungen aufweisen und ein definierter
Zusammenhang zwischen Größe und Form der Teilchen existiert. Während
kleine Goldnanoteilchen nahezu kugelförmig sind, flachen die Teilchen
mit zunehmender Größe immer mehr ab. Des Weiteren wurde in dieser Arbeit
die Methode des lasergestützten
Wachstums auf das System Gold auf Titandioxid angewendet.
Systematische Untersuchungen zeigten, dass sich das Achsverhältnis der
Teilchen durch geeignete Wahl von Photonenenergie und Fluenz des
eingestrahlten Laserlichts definiert und gezielt vorgeben lässt. Die
Methode des lasergestützten Wachstums erschließt damit den Bereich
außerhalb der Zugänglichkeit des natürlichen Wachstums. Aufgrund der
Formabhängigkeit der spektrale Lage der Plasmonresonanz ist man somit in
der Lage, die optischen Eigenschaften der Nanoteilchen gezielt
einzustellen und z.B. für technische Anwendungen zu optimieren.
Die Untersuchung der ultraschnellen Elektronendynamik von
Goldnanoteilchen auf Titandioxid mit äquivalenten Radien zwischen 8 bis
15 nm erfolgte in dieser Arbeit mit der Methode des spektralen
Lochbrennes. Hierzu wurde die Dephasierungszeit des
Oberflächenplasmons systematisch als Funktion der Photonenenergie in
einem Bereich von 1,45 bis 1,85 eV gemessen. Es zeigte sich, dass die
gemessenen Dephasierungszeiten von 8,5 bis 16,2 fs
deutlich unter den in der dielektrischen Funktion von Gold enthaltenen
Werten lagen, was den erwarteten Einfluss der reduzierten Dimension der
Teilchen demonstriert.
Um die Messwerte trotz verschiedener Teilchengrößen untereinander
vergleichen und den Einfluss der intrinsischen Dämpfung quantifizieren
zu können, wurde zusätzlich der Dämpfungsparameter A bestimmt. Die
ermittelten A-Faktoren zeigten dabei eine starke Abhängigkeit von der
Plasmonenergie. Für Teilchen mit Plasmonenergien von 1,45 bis 1,55 eV
wurde ein Dämpfungsfaktor von A ~ 0,2 nm/fs ermittelt, der lediglich
Oberflächenstreuung als dominierenden
Dämpfungsmechanismus widerspiegelt. Hingegen wurde für Teilchen mit
Plasmonenergien oberhalb von 1,55 eV ein drastischer Anstieg der
Dämpfung auf A ~ 0,4 nm/fs beobachtet. Die erhöhte Dämpfung wurde dabei
dem zusätzlichen Vorliegen einer chemischen Dämpfung durch das
Titandioxidsubstrat
zugeschrieben. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse somit, dass eine
starke Abhängigkeit der chemischen Dämpfung von der Photonenenergie
vorliegt. Es konnte erstmals nachgewiesen werden, dass die chemische
Dämpfung erst ab einer bestimmten unteren Schwelle der Photonenenergie
einsetzt, die für Goldnanoteilchen auf Titandioxid
bei etwa 1,6 eV liegt.
In this
work the growth and the ultrafast electron dynamics of the surface
plasmon polariton of gold nanoparticles on
titanium dioxide were investigated. The dephasing time of the surface
plasmon polariton of nanoparticles with a certain size and shape was
measured by using the method of spectral hole burning. The nanoparticles
were prepared by deposition of gold atoms on a titanium dioxide
substrate followed by diffusion and nucleation, i.e., Volmer-Weber
growth, and were investigated by a combination of optical extinction
spectroscopy and atomic force microscopy. These nanoparticle ensembles
can be characterized by the mean equivalent
radius and the mean axial ratio. The experimental data show, that the
samples exhibit broad size and shape distributions and the shapes of the
particles depend distinctly on their size. While small particles are
nearly spherical, the axial ratio drops with increasing size. In
addition, the technique of laser-assisted growth was applied to gold
nanoparticles on titanium dioxide. Systematic studies showed
that the axial ratio of the particles can be defined selectively by an
appropriate choice of the photon energy and fluence of the laser
light. Hence, the method of laser-assisted growth opens up the region
that is not accessible by natural growth. Furthermore, due to the shape
dependence of the spectral position of plasmon resonance it allows us to
tailor the optical properties of nanoparticles selectively, for
example, for technical applications. In this work, investigations of the
ultrafast electron dynamics of gold nanoparticles on titanium dioxide
with radii between 8-15 nm have been performed by means of spectral hole
burning. For this purpose the dephasing time of the surface plasmon
polariton was measured systematically as a function of photon energy
in a range between 1.45 and 1.85 eV. It was shown that the measured
dephasing times of 8.5-16.2 fs are significantly lower than
the values obtained from the dielectric function of gold. This clearly
demonstrates the expected influence of the reduced
dimensions of the particles. In addition, the damping parameter A was
determined to take into account the influence of the reduced dimension
on the measured values. The calculated A-factors showed a strong
dependence on the plasmon energy. For particles with plasmon energies of
1.45-1.55 eV the obtained damping factor of
A ~ 0.2 nm/fs indicates solely surface
scattering as dominant damping mechanism. However, for particles with
plasmon energies above 1.55 eV a dramatic increase of the damping
parameter to a value of A ~0.4 nm/fs was observed. The increased damping
was attributed to the additional presence of
chemical interface damping by the titanium dioxide substrate. In
summary, the results show a strong dependence on the chemical
interface damping of the photon energy. It was shown for the first time,
that chemical interface damping is not attributing beneath a certain
threshold of the photon energy, which for gold nanoparticles on titanium
dioxide is situated at about 1.6 eV.
Autor:
Borg, Nils
Dissertation_Borg.pdf
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