Steffen Mitzscherling

• This thesis investigates the application of polyelectrolyte multilayers in plasmonics and picosecond acoustics. The observed samples were fabricated by the spin-assisted layer-by-layer deposition technique that allowed a precise tuning of layer thickness in the range of few nanometers. The first field of interest deals with the interaction of light-induced localized surface plasmons (LSP) of rod-shaped gold nanoparticles with the particles' environment. The environment consists of an air phase and a phase of polyelectrolytes, whose ratio affects the spectral position of the LSP resonance. Measured UV-VIS spectra showed the shift of the LSP absorption peak as a function of the cover layer thickness of the particles. The data are modeled using an average dielectric function instead of the dielectric functions of air and polyelectrolytes. In addition using a measured dielectric function of the gold nanoparticles, the position of the LSP absorption peak could be simulated with good agreement to the data. The analytic modelThis thesis investigates the application of polyelectrolyte multilayers in plasmonics and picosecond acoustics. The observed samples were fabricated by the spin-assisted layer-by-layer deposition technique that allowed a precise tuning of layer thickness in the range of few nanometers. The first field of interest deals with the interaction of light-induced localized surface plasmons (LSP) of rod-shaped gold nanoparticles with the particles' environment. The environment consists of an air phase and a phase of polyelectrolytes, whose ratio affects the spectral position of the LSP resonance. Measured UV-VIS spectra showed the shift of the LSP absorption peak as a function of the cover layer thickness of the particles. The data are modeled using an average dielectric function instead of the dielectric functions of air and polyelectrolytes. In addition using a measured dielectric function of the gold nanoparticles, the position of the LSP absorption peak could be simulated with good agreement to the data. The analytic model helps to understand the optical properties of metal nanoparticles in an inhomogeneous environment. The second part of this work discusses the applicability of PAzo/PAH and dye-doped PSS/PAH polyelectrolyte multilayers as transducers to generate hypersound pulses. The generated strain pulses were detected by time-domain Brillouin scattering (TDBS) using a pump-probe laser setup. Transducer layers made of polyelectrolytes were compared qualitatively to common aluminum transducers in terms of measured TDBS signal amplitude, degradation due to laser excitation, and sample preparation. The measurements proved that fast and easy prepared polyelectrolyte transducers provided stronger TDBS signals than the aluminum transducer. AFM topography measurements showed a degradation of the polyelectrolyte structures, especially for the PAzo/PAH sample. To quantify the induced strain, optical barriers were introduced to separate the transducer material from the medium of the hypersound propagation. Difficulties in the sample preparation prohibited a reliable quantification. But the experiments showed that a coating with transparent polyelectrolytes increases the efficiency of aluminum transducers and modifies the excited phonon distribution. The adoption of polyelectrolytes to the scientific field of picosecond acoustics enables a cheap and fast fabrication of transducer layers on most surfaces. In contrast to aluminum layers the polyelectrolytes are transparent over a wide spectral range. Thus, the strain modulation can be probed from surface and back.…
• Diese Doktorarbeit behandelt die Verwendung von Multischichtsystemen aus Polyelektrolyten in den Fachgebieten der Plasmonik und der Pikosekunden-Akustik. Die verwendeten Proben wurden mit dem Spincoater-gestützten Layer-by-Layer-Verfahren hergestellt. Diese Methode ermöglichte die Einstellung Schichtdicke mit einer Präzision von wenigen Nanometern. Im Bereich der Plasmonik wurde die Wechselwirkung von Oberflächenplasmonen stabförmiger Gold-Nanopartikel mit deren Umgebung untersucht. Diese Umgebung bestand aus zwei Phasen: Polyelektrolyte und Luft. Das Volumenverhältnis der Materialien bestimmte die spektrale Position des Oberflächenplasmons. Bei zunehmender Einbettung der Goldpartikel zeigten die gemessenen UV-VIS Spektren eine Rotverschiebung der Plasmonenabsorption. Es wurde ein Modell entwickelt, das die inhomogene Umgebung der Partikel durch eine mittlere dieelekrische Funktion beschreibt. Nachdem die dielektrische Funktion der Goldpartikel in separaten Messungen bestimmt waren, konnte die Lage der PlasmonenabsorptionDiese Doktorarbeit behandelt die Verwendung von Multischichtsystemen aus Polyelektrolyten in den Fachgebieten der Plasmonik und der Pikosekunden-Akustik. Die verwendeten Proben wurden mit dem Spincoater-gestützten Layer-by-Layer-Verfahren hergestellt. Diese Methode ermöglichte die Einstellung Schichtdicke mit einer Präzision von wenigen Nanometern. Im Bereich der Plasmonik wurde die Wechselwirkung von Oberflächenplasmonen stabförmiger Gold-Nanopartikel mit deren Umgebung untersucht. Diese Umgebung bestand aus zwei Phasen: Polyelektrolyte und Luft. Das Volumenverhältnis der Materialien bestimmte die spektrale Position des Oberflächenplasmons. Bei zunehmender Einbettung der Goldpartikel zeigten die gemessenen UV-VIS Spektren eine Rotverschiebung der Plasmonenabsorption. Es wurde ein Modell entwickelt, das die inhomogene Umgebung der Partikel durch eine mittlere dieelekrische Funktion beschreibt. Nachdem die dielektrische Funktion der Goldpartikel in separaten Messungen bestimmt waren, konnte die Lage der Plasmonenabsorption berechnet werden. Die Berechnungen stimmten dabei mit den Messwerten überein. Mit diesem analytischen Modell ist es möglich, die optischen Eigenschaften von metallischen Nanopartikeln in einer inhomogenene Umgebung zu verstehen. Der zweite Teil dieser Arbeit diskutiert die Anwendbarkeit von polyelektrolytischen Multischichten aus PAzo/PAH bzw. Porphyrin-dotiertem PSS/PAH für die Erzeugung von Hyperschallpulsen. Die erzeugten Schallpulse wurden durch zeitaufgelöste Brillouin-Streuung in einem sogenannten pump-probe Aufbau detektiert. Schallerzeugende Schichten aus Polyelektrolyten wurden mit Wandlern aus Aluminium verglichen. Die Messungen zeigten, dass die Polyelektrolyte sehr gut für die Erzeugung von Schallpulsen geeignet sind. Der einfachen Probenpräparation und der guten Effizienz steht jedoch eine geringe Zerstörschwelle gegenüber. AFM-Messungen zeigten besonders bei den PAzo/PAH Multischichten sehr starke Veränderungen in der Struktur. Eine Quantisierung der induzierten Schallamplitude sollte durch eine optische Trennung von Wandler und Propagationmedium erreicht werden. Da die Trennschichten auch eine akustische Abkopplung bewirkten, ließen sich die Schallamplituden nicht bestimmen. Es wurde jedoch festgestellt, dass sich die Effizienz eines Aluminium-Wandlers durch das Aufbringen transparenter Polyelektrolytschichten deutlich steigern lässt. Die Herstellung von Ultraschall-Wandlern aus Polyelektrolyten erweitert die Möglichkeiten der Pikosekunden-Akustik. Zum einen können diese Wandler schnell und kostengünstig direkt auf fast jeder Oberfläche aufgebracht werden. Zum anderen sind Polyelektrolyte in einem breiten Spektralbereich transparent. Das ermöglicht Messungen von der Vorderseite, die bei herkömmlichen Aluminium-Wandlern nicht oder nur schwer realisierbar sind.…