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Surface-enhanced Raman scattering (SERS) is an effective and widely used technique to study chemical reactions induced or catalyzed by plasmonic substrates, since the experimental setup allows us to trigger and track the reaction simultaneously and identify the products. However, on substrates with plasmonic hotspots, the total signal mainly originates from these nanoscopic volumes with high reactivity and the information about the overall consumption remains obscure in SERS measurements. This has important implications; for example, the apparent reaction order in SERS measurements does not correlate with the real reaction order, whereas the apparent reaction rates are proportional to the real reaction rates as demonstrated by finite-difference time-domain (FDTD) simulations. We determined the electric field enhancement distribution of a gold nanoparticle (AuNP) monolayer and calculated the SERS intensities in light-driven reactions in an adsorbed self-assembled molecular monolayer on the AuNP surface. Accordingly, even if a high conversion is observed in SERS due to the high reactivity in the hotspots, most of the adsorbed molecules on the AuNP surface remain unreacted. The theoretical findings are compared with the hot-electron-induced dehalogenation of 4-bromothiophenol, indicating a time dependency of the hot-carrier concentration in plasmon-mediated reactions. To fit the kinetics of plasmon-mediated reactions in plasmonic hotspots, fractal-like kinetics are well suited to account for the inhomogeneity of reactive sites on the substrates, whereas also modified standard kinetics model allows equally well fits. The outcomes of this study are on the one hand essential to derive a mechanistic understanding of reactions on plasmonic substrates by SERS measurements and on the other hand to drive plasmonic reactions with high local precision and facilitate the engineering of chemistry on a nanoscale.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Energie induzierte Nanopartikel-Substrat Interaktionen untersucht. Dazu wurden Goldnanopartikelanordnungen (AuNPA) auf verschiedenen Silizium-basierten Substraten hergestellt und der Einfluss eines Energieeintrages, genauer gesagt einer thermischen Behandlung oder des Metall-assistierten chemischen Ätzens (MaCE) getestet. Die Nanopartikelanordnungen, welche für die thermische Behandlung eingesetzt wurden, wurden nass-chemisch in Toluol synthetisiert, mit Thiol-terminiertem Polystyrol funktionalisiert und mittels Schleuderbeschichtung auf verschiedenen Substraten (drei Gläser und ein Siliziumwafer) in quasi-hexagonalen Mustern angeordnet. Diese AuNP-Anordnungen wurden mit Temperaturen zwischen 475 °C – 792 °C über verschiedene Zeiträume thermisch behandelt. Generell sanken die Nanopartikel in die Substrate ein, und es wurde festgestellt, dass mit Erhöhung der Glasübergangstemperatur der Substrate die Einsinktiefe der Nanopartikel abnahm. Die AuNPA auf Siliziumwafern wurden auf Temperaturen von 700 °C – 900 °C erhitzt. Die Goldnanopartikel sanken dabei bis zu 2,5 nm in das Si-Substrat ein. Ein Sintern der Nanopartikel fand ab einer Temperatur über 660 °C statt. Welcher Sintermechanismus der dominante ist konnte abschließend nicht eindeutig geklärt werden.
Für die Untersuchung des Einflusses des zweiten Energieeintrages mittels MaCE wurden AuNPA sowie Goldkern-Silberschale-Anordnungen auf Siliziumsubstraten genutzt. Die AuNPA wurden mit Hilfe von Poly-N-Isopropylacrylamid Mikrogelen und Natriumcitrat-stabilisierten Goldnanopartikeln (Na-AuNP) bzw. Tetrachloridogoldsäure (TCG) präpariert. Es ergaben sich Nanopartikelanordnungen mit hemisphärischen Partikeln (aus Na-AuNP) und zum anderen Nanopartikelanordnungen mit sphärischen Partikeln (aus TCG). Durch eine anschließende Silberwachstumsreaktion konnten dann die dazugehörigen Goldkern-Silberschale Nanopartikelanordnungen erhalten werden. Beim MaCE konnten signifikante Unterschiede im Verhalten dieser vier Nanopartikelanordnungen festgestellt werden, z.B. mussten bei den hemisphärischen Partikelanordnungen höhere Wasserstoffperoxidkonzentrationen (0,70 M – 0,91 M) als bei den sphärischen Partikelanordnungen (0,08 M – 0,32 M) für das Ätzen eingesetzt werden, um ein Einsinken der Nanopartikel in das Substrat zu erreichen.