Plasmonische Nanoteilchen in Heliumtröpfchen

Die Plasmonik entwickelt sich derzeit zu einer der zentralen optischen Technologien des 21 Jahrhunderts: Es wird erwartet, dass diese Technologie der Konzentration von Lichtfeldern auf Nanopartikel zur Realisierung von ultra-schnellen optischen Computerchips führt, des Weiteren dient sie als Basis für viele interessante Anwendung von chemischen Sensoren bis hin zur Krebsbehandlung und Krebsdiagnostik. Die präzise räumliche und zeitliche Kontrolle über das Licht und die Photochemie, welche die Plasmonik bietet, führt bereits zur Entwicklung von neuen Materialen die zum Beispiel in der Photokatalyse und in Solarzellen eingesetzt werden können. Es ist zu erwarten, dass diese Technologien von immenser Bedeutung in Hinblick auf eine effizientere Erzeugung umweltfreundlicher und erneuerbarer Energie sein werden. An der Schwelle zum Zeitalters der Plasmonik sind Wissenschaftler gerade dabei, neue Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften zu entwickeln. Im vorgeschlagenen Projekt werden wir eine neue Methode zur Herstellung von plasmonischen Nanopartikeln in Heliumnanotröpfchen anwenden und damit die Möglichkeiten zur Erzeugung neuer plasmonischer Materialien wesentlich erweitern. Die Heliumtröpfchen, mit Größen bis zu einem Mikrometer, fungieren dabei als inerte, kalte und Lösungsmittel freie Synthese-Umgebung. Unterschiedlichste Materialien mit ausgewählten Eigenschaftenkönnendabei Schritt für Schritt zumaßgeschneiderten Nanopartikeln zusammengesetzt werden. Das Hauptaugenmerk wird dabei auf der Passivierung von hochreaktiven, aber für die Plasmonik besonders interessanten, Nanopartikeln liegen. Des Weiteren ist die Forschung an aktiven plasmonischenMaterialienmittemperaturabhängigen optischen Eigenschaften geplant. Nach der Synthese können die geformten Nanopartikel auf einer Vielzahl von unterschiedlichen Oberflächen deponiert werden, wo sie dann plasmonische Nanostrukturen formen. Ein weiteres Ziel des Projektes am Institut für Experimentalphysik der TU Graz ist die Erzeugung von speziellen core-shell Strukturen, welche Moleküle zwischen zwei Schichten plasmonischer Materialien beherbergen, auch bekannt als Nanomatryoshkas. Es wird erwartet, dass diese Materialien die erstmalige Anwendung der Methode der Raman Spektroskopie auf Nanopartikel und Moleküle in Helium Nanotröpfchen erlaubt. Aus den vorgeschlagenen Experimenten werden wir neue Einblicke in die Eigenschaften plasmonischer Nano-Materialien einschließlich höchst interessanter Quanteneffekte gewinnen.

Ziel des Projektes war die Entwicklung und Charakterisierung von neuartigen plasmonischen Nanopartikeln, welche mittels Heliumnanotröpfchen-Synthese erzeugt werden. Die Methode wurde genutzt, um Nanopartikel und hybride Nanostrukturen bestehend aus Metallen, Metalloxiden, organischen Molekülen sowie Kombinationen davon herzustellen. Neue experimentelle Strategien zur Untersuchung dieser Strukturen wurden entwickelt und neue Anwendungen für die Heliumtropfen-Synthese wurden erforscht. Experimente an Ag@Au Kern@Schale Partikel konnten zeigen, dass sich die Synthese-Methode hervorragend eignet, um Nanomaterialien mit maßgeschneiderten optischen Eigenschaften herzustellen, welche sich durch die gewählten experimentellen Parameter kontrollieren lassen. Diese Nanostrukturen wurden mittels oberflächenverstärkter Ramanspektroskopie (SERS) untersucht. Methoden der Elektronenmikroskopie wurden eingesetzt, um die plasmonischen Eigenschaften der hergestellten Materialien zu erforschen und es konnten sogar Plasmonen-Moden in einzelnen Nanopartikeln dargestellt werden. Die dazu verwendeten Substrate mit einer Dicke von nur wenigen Atomlagen führten zu neuartigen Experimenten, im Rahmen derer die Heliumtröpfchen-Synthese mit zeitaufgelöster XUV-Spektroskopie kombiniert wurde. Im Zuge der Arbeiten wurden auch Ag@ZnO Nanopartikel hergestellt, eine interessante Materialklasse, welche plasmonische Kerne mit einer Halbleiter-Schale kombiniert. Solche Kombinationen sind vielversprechend für die Verbesserung von Materialien, welche zur Photokatalyse oder Solarenergieerzeugung eingesetzt werden. Ein weiteres wichtiges Ergebnis betrifft die Erzeugung von sogenannten "Nanomatrjoschkas", also Nanopartikel, welche aus verschiedenen Materialschichten bestehen. Im konkreten Fall wurden Partikel hergestellt, welche aus einem plasmonischen Gold-Kern bestehen, umhüllt von einer Schicht aus Hexan sowie einer weiteren Schicht aus Farbstoffmolekülen. In diesen Experimenten waren plasmonen-induzierte Effekte sowie Ladungstransfer-Reaktionen in isolierten Partikeln von besonderem Interesse. Ein weiteres wichtiges Ergebnis wurde an Kalium-Clustern erzielt. Dazu wurde erstmals ein Superkontiuum-Laser zur Spektroskopie an in Heliumtröpfchen isolierten Partikeln eingesetzt. Diese systematische Untersuchung zeigt die größenabhängige Entwicklung von elektronischen Übergängen, von atomaren Übergängen und Molekülbanden bis hin zu Plasmonen-Moden in Nanopartikeln. Im Laufe der Projektarbeiten wurden neue Materialklassen in Heliumtröpfchen erzeugt, unteranderem auch in Form von Hybridstrukturen, welche aus bis zu drei unterschiedlichen Komponenten bestehen. Darüber hinaus wurden neue Methoden entwickelt, um diese Strukturen zu charakterisieren. Die erzielten Ergebnisse eröffnen nun viele neue Möglichkeiten für die Heliumtropfen-Synthese und darüber hinaus.