Einfluß von Rauhigkeit auf oberflächenverstärkte Effekte

Oberflächenverstärkte Effekte wie etwa oberflächenverstärkte Absorption, Fluoreszenz oder Raman -Streuung, ermöglichen die extrem empfindliche Detektion und Untersuchung von Molekül-Licht-Wechselwirkungen bis hin zu Einzelmolekülen. Das gegenständlichen Projekt zielt auf eine detaillierte Charakterisierung und Modellierung von oberflächenverstärkten Effekten auf lithographisch hergestellten Substraten ab (regelmäßig angeordnete, polykristalline Metall-Nanopartikel). Als Ergebnis erwarten wir, dass wir ein vollsständiges Bild über den Beitrag der Oberflächenrauhigkeit, der Kristallinität und nicht-lokaler dielektrischer Effekte der Nanopartikel auf die Oberflächenverstärkung gewinnen. Darüber hinaus werden wir Möglichkeiten für eine kontrollierte Beeinflussung der Rauhigkeit und Kristallinität der Nanopartikel sowie Form-Optimierungen ausloten. Das Ziel des Projektes ist eine Verbesserung der oberflächenverstärkten Effekte (surface enhanced effects SEE) auf lithographisch hergestellten Substraten, was für die Entwicklung neuartiger Sensoren und Sensoranwendungen von Bedeutung ist. Die elektromagnetische Kopplung von molekularen, optischen Übergängen zu Oberflächenplasmonen erlaubt die Beeinflussung der Molekül-Licht-Wechselwirkung, und eine Verstärkung der Streuquerschnitte und Übergangsraten um mehrere Größenordnungen. Chemisch hergestellte und auf ein Substrat abgeschiedene, kolloidale Metall-Nanopartikel sind für gewöhnlich sehr effiziente Substrate für SEE, allerdings sind die statistischen Streuungen in ihrer Anordnung auf dem Substrat sowie ihrer Größen und Formen von Nachteil für die reproduzierbare Herstellung effizienter SEE Substrate. Ein alternativer, gut kontrollierbarer Ansatz zur Herstellung reproduzierbarer SEE Substrate ist die Substrat-Herstellung durch nano-lithographische Methoden, wie beispielsweise Elektronenstrahl-Lithographie. Allerdings, bedingt durch den Herstellungsprozess, besitzen lithogaphisch hergestellte im Gegensatz zu chemisch hergestellten eine beträchtliche Oberflächenrauhigkeit, was die Verwertung der potentiellen Möglichkeiten von SEE auf diesen gut kontrollierbaren Substraten bisher verhindert hat. Der Einfluss dieser Rauhigkeit auf die optischen Nahfelder und SEE ist nicht bekannt. Der Zweck dieses Projektes ist die Adressierung dieser Frage durch einen systematischen Vergleich zwischen lithographisch und chemisch hergestellten Metall-Nanopartikeln sowie der Versuch, den Prozess der Elektronenstrahl-Lithographie insofern so zu verbessern, dass die Rauhigkeit und Kristallinität kontrollierbar wird und die Herstellung von Strukturen mit optimierten optischen Eigenschaften erlaubt. Unsere Untersuchungen werden, teilweise in Zusammenarbeit mit anderen Forschungsgruppen, sowohl an chemischen als auch an lithographisch hergestellten Metall-Nanopartikeln erfolgen, unterstützt durch detaillierte theoretische Modellrechnungen. Die Methodik zu Untersuchung einzelner Nanopartikel wird Raster-Kraft Mikroskopie, Raster- Elektronenmikroskopie optische Nahfeldmikroskopie und Elektronen-Verlustspektroskopie / Mikroskopie sowie Kathodolumineszenz beinhalten. Die Bestimmung der SEE wird mit herkömmlicher Fernfeld-Spektroskopie an mit Molekülen beschichteten Nanopartikel-Ensemblen erfolgen. Unser theoretischer Ansatz basiert auf Berechnungen mit dem Boundary-Element-Method Ansatz und wird SEE, Oberflächenrauhigkeit auf einzelnen Nanopartikeln und Nanopartikel-Ensemblen sowie nichtlokale dielektrische Funktionen und Möglichkeiten zur Optimierung der Partikelform berücksichtigen.

Metallische Nanopartikel mit Größen von wenigen hunderttausendstel Millimetern besitzen die Eigenschaft, bei geeigneter Beleuchtung die elektromagnetischen Felder des Lichtes an ihrer Oberfläche zu konzentrieren, also in Volumsbereichen die um Größenordnungen kleiner sind als beispielsweise der kleinstmögliche Fokalbereich einer optischen Linse. Dafür verantwortlich ist die resonante Anregung sogenannter lokalisierter Oberflächenplasmonen, das sind kohärente Schwingungszustände des metallischen Elektronensystems des Nanopartikels. Befindet sich nahe der Nanopartikel-Oberfläche ein Molekül, so führt diese Lichtkonzentration zu einer um Größenordnungen verstärkten Licht-Molekül-Wechselwirkung (Oberflächenverstärkung) mit dem Effekt, dass Fluorophore heller leuchten oder, dass die ansonsten unmessbar schwache Raman-Streuung einzelner Moleküle nachweisbar wird. Zur kontrollierten Herstellung geeigneter metallischer Nanopartikel wird das Metall oft durch Vakuum-Verdampfung an zuvor lithographisch definierten Stellen auf einer Unterlage abgeschieden. Die so erhaltenen Partikel sind polykristallin und besitzen eine geringe Oberflächenrauheit von unter einem millionstel Millimeter. Diese Eigenschaften wurden bisher in der Beschreibung der Oberflächenverstärkten Fluoreszenz oder -Raman-Streuung solcher Teilchen nicht berücksichtigt. Im Projekt Einfluss nanometrischer Rauheit auf oberflächenverstärkte Effekte wurde dies erstmals systematisch untersucht. Dabei konnte mit einer Kombination von experimentellen Untersuchungen und elektromagnetischen numerischen Simulationen nachgewiesen werden, dass sowohl die vorhandene Oberflächenrauheit als auch die Polykristallinität einen deutlichen Einfluss auf die Oberflächenverstärkten Effekte haben, und somit für die Anwendung in auf diesem Effekt basierenden, quantitativen Sensoren kontrolliert werden müssen. Im Rahmen des Projektes konnte auch gezeigt werden, dass eine definierte thermische Behandlung lithographisch hergestellter Metall-Nanopartikel eine solche Kontrolle erlaubt. Diese Ergebnisse sind wegweisend für die zukünftige Entwicklung besserer und reproduzierbarer herstellbarer Metall-Nanopartikel für den Einsatz in beispielsweise quantitativen, hochempfindlichen biochemischen Sensoren.