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Self-assembly of plasmonic nanoantenna-waveguide structures for subdiffractional chiral sensing
(2021)
Spin-momentum locking is a peculiar effect in the near-field of guided optical or plasmonic modes. It can be utilized to map the spinning or handedness of electromagnetic fields onto the propagation direction. This motivates a method to probe the circular dichroism of an illuminated chiral object. In this work, we demonstrate local, subdiffraction limited chiral coupling of light and propagating surface plasmon polaritons in a self-assembled system of a gold nanoantenna and a silver nanowire. A thin silica shell around the nanowire provides precise distance control and also serves as a host for fluorescent molecules, which indicate the direction of plasmon propagation. We characterize our nanoantenna-nanowire systems comprehensively through correlated electron microscopy, energy-dispersive X-ray spectroscopy, dark-field, and fluorescence imaging. Three-dimensional numerical simulations support the experimental findings. Besides our measurement of far-field polarization, we estimate sensing capabilities and derive not only a sensitivity of 1 mdeg for the ellipticity of the light field, but also find 10(3) deg cm(2)/dmol for the circular dichroism of an analyte locally introduced in the hot spot of the antenna-wire system. Thorough modeling of a prototypical design predicts on-chip sensing of chiral analytes. This introduces our system as an ultracompact sensor for chiral response far below the diffraction limit.
The imagination of clearly separated core-shell structures is already outdated by the fact, that the nanoparticle core-shell structures remain in terms of efficiency behind their respective bulk material due to intermixing between core and shell dopant ions. In order to optimize the photoluminescence of core-shell UCNP the intermixing should be as small as possible and therefore, key parameters of this process need to be identified. In the present work the Ln(III) ion migration in the host lattices NaYF4 and NaGdF4 was monitored. These investigations have been performed by laser spectroscopy with help of lanthanide resonance energy transfer (LRET) between Eu(III) as donor and Pr(III) or Nd(III) as acceptor. The LRET is evaluated based on the Forster theory. The findings corroborate the literature and point out the migration of ions in the host lattices. Based on the introduced LRET model, the acceptor concentration in the surrounding of one donor depends clearly on the design of the applied core-shell-shell nanoparticles. In general, thinner intermediate insulating shells lead to higher acceptor concentration, stronger quenching of the Eu(III) donor and subsequently stronger sensitization of the Pr(III) or the Nd(III) acceptors. The choice of the host lattice as well as of the synthesis temperature are parameters to be considered for the intermixing process.
Ein Spezialgebiet der modernen Mikroelektronik ist die Miniaturisierung und Entwicklung von neuen nanostrukturierten und Komposit-Materialen aus 3d-Metallen. Durch geeignete Zusammensetzungen können diese sowohl mit einer hohen Sättigungsmagnetisierung und Koerzitivfeldstärke als mit besserer Oxidationsbeständigkeit im Vergleich zu den reinen Elementen erzielt werden. In der vorliegenden Arbeit werden neue Methoden für die Herstellung von bimetallischen kolloidalen Nanopartikeln vor allem mit einer Kern-Hülle-Struktur (Kern@Hülle) präsentiert. Bei der überwiegenden Zahl der vorgestellten Reaktionen handelt es sich um die thermische Zersetzung von metallorganischen Verbindungen wie Kobaltcarbonyl, Palladium- und Platinacetylacetonate oder die chemische Reduktion von Metallsalze mit langkettigem Alkohol in organischem Lösungsmittel. Daneben sind auch Kombinationen aus diesen beiden Verfahren beschrieben. Es wurden Kolloide aus einem reinen Edelmetall (Pt, Pd, Ag) in einem organischen Lösungsmittel synthetisiert und daraus neue, bisher in dieser Form nicht bekannte Ag@Co-, Pt@Co-, Pd@Co- und Pt@Pd@Co-Nanopartikel gewonnen. Der Kobaltgehalt der Ag@Co-, Teilchen konnte im Bereich von 5 bis 73 At. % beliebig eingestellt werden. Der mittlere Durchmesser der Ag@Co-Partikel wurde von 5 nm bis 15 nm variiert. Bei der Herstellung von Pt@Co-Teilchen wurde eine unterschiedlich dicke Kobalt-Hülle von ca. 1,0 bis 2,5 nm erzielt. Im Fall des Palladiums wurden sowohl monodispere als auch polydisperse Pd-Nanopartikel mit einer maximal 1,7-2,0nm dicken Kobalthülle synthetisiert. Ein großer Teil dieser Arbeit befasst sich mit den magnetischen Eigenschaften der kolloidalen Teilchen, wobei die SQUID-Magnetometrie und Röntgenzirkulardichroismus (XMCD) dafür eingesetzt wurden. Weil magnetische Messungen alleine nur indirekte Schlüsse über die untersuchten Systeme erlauben, wurde dabei besonderer Wert auf die möglichst genaue strukturelle Charakterisierung der Proben mittels moderner Untersuchungsmethoden gelegt. Röntgendiffraktometrie (XRD), Röntgenabsorptionsfeinstruktur- (EXAFS) und UV-Vis-Spektroskopie sowie Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) in Kombination mit Elektronen Energieverlustspektroskopie (EELS) und energiedispersive Röntgenfluoreszensanalyse (EDX) wurden verwendet.