Plasmons in metal nanostructures [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Carsten Sönnichsen
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Plasmons in metal nanostructures10µmDissertation der Fakult¨at fur¨ Physik derLudwig-Maximilians-Universit¨at Munc¨ hen,vorgelegt von Carsten S¨onnichsen aus Hamburg.M¨ unchen, 20 June 2001A dissertation submitted to the physics department of theLudwig-Maximilians-University of Munich by Carsten S¨onnichsen.2PrefaceThis dissertation is the result of work carried out in the Photonics and Optoelectronicsgroup at the University of Munich. Part of the work was conducted in collaboration withother groups at the Karl-Franzens University of Graz, the University of Ulm and theUniversity of Melbourne.Except where specific reference is made to the work of others, this work is original andhas not been already submitted either wholly or in part to satisfy any degree requirementat this or any other university.Carsten S¨onnichsenTag der mundlic¨ hen Prufung:¨ 24. 7. 20011. Gutachter: Prof. Dr. J. Feldmann2.hter: Prof. Dr. H. GaubWeitere Prufungsk¨ ommissionsmitglieder:Prof. Dr. J. von Delft (Vorsitzender), Prof. Dr. H. WeinfurterThe picture on the front page shows a true color image of a sample containing gold andsilver nanospheres as well as gold nanorods photographed with a dark field microscope.Each dot corresponds to light scattered by an individual nanoparticle at the plasmonresonance. The resonance wavelength varies from blue (silver nanospheres) via green andyellow (gold nanospheres) to orange and red (nanorods).

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Publié le 01 janvier 2001
Nombre de lectures 18
Langue English
Poids de l'ouvrage 2 Mo

Extrait

Plasmons in metal nanostructures
10µm
Dissertation der Fakult¨at fur¨ Physik der
Ludwig-Maximilians-Universit¨at Munc¨ hen,
vorgelegt von Carsten S¨onnichsen aus Hamburg.
M¨ unchen, 20 June 2001
A dissertation submitted to the physics department of the
Ludwig-Maximilians-University of Munich by Carsten S¨onnichsen.2
Preface
This dissertation is the result of work carried out in the Photonics and Optoelectronics
group at the University of Munich. Part of the work was conducted in collaboration with
other groups at the Karl-Franzens University of Graz, the University of Ulm and the
University of Melbourne.
Except where specific reference is made to the work of others, this work is original and
has not been already submitted either wholly or in part to satisfy any degree requirement
at this or any other university.
Carsten S¨onnichsen
Tag der mundlic¨ hen Prufung:¨ 24. 7. 2001
1. Gutachter: Prof. Dr. J. Feldmann
2.hter: Prof. Dr. H. Gaub
Weitere Prufungsk¨ ommissionsmitglieder:
Prof. Dr. J. von Delft (Vorsitzender), Prof. Dr. H. Weinfurter
The picture on the front page shows a true color image of a sample containing gold and
silver nanospheres as well as gold nanorods photographed with a dark field microscope.
Each dot corresponds to light scattered by an individual nanoparticle at the plasmon
resonance. The resonance wavelength varies from blue (silver nanospheres) via green and
yellow (gold nanospheres) to orange and red (nanorods).
A(This document is typeset by LT X.)EScientific publications
of results presented in this work
Fabricationandpropertiesofnanorods
O. Wilson, C. S¨onnichsen, ..., P. Mulvaney, Nanoletters, in preparation
Suppressionof interbanddampingofplasmons ingoldnanorods
C. S¨onnichsen, T. Franzl, T. Wilk, G. von Plessen, J. Feldmann, O. Wilson, P. Mulvaney,
Phys. Rev. Lett., submitted
Electricallycontrolledlightscatteringbyparticleplasmons
C. S¨onnichsen, A. Jakab, G. von Plessen, J. Feldmann, in preparation
Spectroscopyofsinglemetallicnanoparticlesusing totalinternalreflectionmicroscopy
C. S¨onnichsen, S. Geier, N.E. Hecker, G. von Plessen, J. Feldmann, H. Ditlbacher, B.
Lamprecht, J.R. Krenn, F.R. Aussenegg, V.Z.-H. Chan, J.P. Spatz, and M. M¨oller, Appl.
Phys. Lett. 77, 2949 (2000)
Launchingsurface plasmonsintonano-holesinmetalfilms
C. S¨onnichsen, A.C. Duch, G. Steininger, M. Koch, G. von Plessen, and J. Feldmann
Appl. Phys. Lett. 76, 140 (2000)
Contributions to conferences, workshops, and seminars
Invited talks:
Spectroscopyofsinglemetallicnanoparticles
European Science Foundation Exploratory Workshop on Surface Plasmon Photonics
27-30 April 2000, Obernai, France
NanoopticswithPlasmons
- Seminar, University of Hamburg (July 1999)
- SFB 513 (‘Nanostructures at Interfaces and Surfaces’) workshop (September 1999)
- Center for NanoScience (CeNS) workshop in Wildbad Kreuth (2000)
- Seminar, University of Ulm (February 2000)
Usingmetalparticlesasnanosensors
Seminar ‘Fallstudien aus der Optoelektronik’, Munich, 13 May 2000
Contributed talks:
Spectroscopyofsinglemetallicnanoparticles
C. S¨onnichsen, A. Jakab, S. Geier, T. Wilk, G. von Plessen, J. Feldmann
Spring Meeting of the American Physical Society (APS), Seattle, April 2001
Metalnanoparticlesasopticalnanosensorsforconcentrationsoforganicmolecules
S. Malkmus, T.Franzl, T. Wilk, C. S¨onnichsen, G. von Plessen, J. Feldmann
Spring Meeting of the German Physical Society (DPG), Berlin, May 2001
Couplingof plasmon modesinmetalnanoparticlepairs
T. Franzl, C. S¨onnichsen, G. von Plessen, J. Feldmann
Spring Meeting of the German Physical Society (DPG), Berlin, May 20014
Dephasingtimesoftheparticleplasmonresonancesinsphericalgoldandsilvernanopar-
ticles
C. S¨onnichsen, T. Wilk, S. Geier, E. Dulkeith, G. von Plessen, J. Feldmann
Spring Meeting of the German Physical Society (DPG), Berlin, May 2001
Nanogolfwithsurface plasmons
C. S¨onnichsen, A. Duch, G. Steininger, M. Koch, G. von Plessen, J. Feldmann; and
Spectroscopy of single metallic nanoparticles using total internal reflection microscopy
(post deadline poster)
C. S¨onnichsen, S. Geier, N. E. Hecker, G. von Plessen, J. Feldmann
6th International Conference on Near Field Optics and related techniques (NFO-6)
August 27-31, 2000 University of Twente, Enschede, The Netherlands
NFOexperimentson nanoholesinmetalfilms
C. S¨onnichsen, A. Duch, G. Steininger, M. Koch, G. von Plessen, J. Feldmann
Nanoscale Optics topical meeting of the European Optical Society,
16-19 April 2000, Engelberg, Switzerland
NanogolfmitOber߬achenplasmonen
C. S¨onnichsen, A. Duch, G. Steininger, M. Koch, G. von Plessen, J. Feldmann
Spring Meeting of the German Physical Society (DPG), Regensburg, May 2000
LichttransmissiondurcheinzelneNanol¨ocherindunnen¨ Metallfilmen
G. Steininger, A. Duch, C. S¨onnichsen, G. von Plessen, M. Koch, U. Lemmer, and J.
Feldmann
Spring Meeting of the German Physical Society (DPG), Munster,¨ May 1999
Near-fieldstudyof surfaceplasmons inindividualnoble-metalnanoparticles
C. S¨onnichsen, T. Klar, J. Marz,¨ M. Perner, S. Grosse, W. Spirkl, G. von Plessen, J.
Feldmann
5th International Conference on Near Field Optics and related techniques (NFO-5)
6-10 December 1998, Shirahama, JapanZUSAMMENFASSUNG
Die Anregung von Plasmonen, d.h. kollektiven Schwingungen der Leitungsbandelektronen, hat
einen starken Einfluß auf die optischen Eigenschaften metallischer Nanostrukturen und ist von
großem Interesse fur¨ zukunftige¨ photonische Bauelemente. In dieser Arbeit werden Plasmonen
in metallischen Nanostrukturen mit optischen Mikroskopiermethoden im Nah- und Fernfeld
untersucht. Im Mittelpunkt steht die lineare Wechselwirkung zwischen Licht und einzelnen
Nanostrukturen.
Insbesondere wird die Lichttransmission durch einzelne Nanometer große L¨ocher in undurch-
sichtigen Metallfilmen mit Hilfe eines optischen Rasternahfeldmikroskops (SNOM, von engl.
Scanning Near-field Optical Microscope) untersucht. Die Ergebnisse zeigen eindeutig die in let-
zter Zeit viel debattierte Unterstutzung¨ der Lichttransmission durch solche Nanol¨ocher mit Hilfe
der Anregung und lateralen Ausbreitung von Ober߬ achenplasmonen. Die Ausbreitungsrichtung
ist durch die Lichtpolarisation gegeben, so daß die kontrollierte Adressierung von einzelnen
L¨ochern m¨oglich ist — diesen Prozess kann man bildlich als “Nanogolf” bezeichnen. Die polar-
isationsabh¨ angige Adressierung von spezifischen Nanol¨ ochern k¨onnte fur¨ das Demulitiplexen in
zukunftigen¨ optischen Systemen anwendbar sein.
Außerdem werden die Dephasierungszeiten und lokale Feldverst¨ arkungsfaktoren fur¨ Plasmonen
in Edelmetall-Nanopartikeln bestimmt, indem die Lichtstreuung an einzelnen Nanopartikeln
spektral mit Hilfe eines dunkelfeldmikroskopischen Aufbaus untersucht wird. Es wird gezeigt,
daß Strahlungsd¨ampfung die DephasierungszeitT in Gold-Nanokugeln auf 2-5fs begrenzt. Die2
Unterdruc¨ kung von Interbandd¨ ampfung in Gold-Nanost¨abchen fuhrt¨ hingegen zu ub¨ erraschend
langen Dephasierungszeiten und großen lokalen Feldverst¨ arkungsfaktoren. Der Rekordwert von
T =18fs n¨ahert sich der theoretischen Grenze, die durch die Freie-Elektronen-Relaxationszeit2
gegeben ist. Das Ergebnis dieser ersten systematischen und aussagekr¨aftigen experimentellen
Untersuchung an einzelnen Partikeln beantwortet die seit langem debattierte Frage nach der
¨St¨arke der Plasmonend¨ampfung in Gold-Nanopartikeln. Die gute Ubereinstimmung mit Berech-
nungen unter Verwendung der dielektrischen Funktion von Volumengold zeigt, daß rein kollek-
tive Dephasierungsmechanismen und Oberfl¨ acheneffekte nur einen vernachl¨ assigbaren Beitrag
zur Gesamtd¨ampfung in den untersuchten Nanopartikeln liefern. Die relativen Anteile von
strahlender, Inter- und Intraband-D¨ampfung in Gold-Nanopartikeln werden bestimmt. Zudem
kann die “wahre” Partikelplasmonend¨ampfungszeit im Sinne einer reinen Plasmonenschwingung
ohne Ankopplung an Photonen oder Interband- Anregungen angegeben werden.
Die spektroskopische Untersuchung von Plasmonen in einzelnen Nanopartikeln kann auch
verwended werden, um den Brechungsindex des Mediums um diese Partikel zu bestimmen.
Hier wird zum ersten Mal gezeigt, wie diese Methode angewendet werden kann, um optische
Nanosensoren basierend auf Partikelplasmonen zu bauen. Anwendungen fur¨ die Bestimmung
von lokalen Konzentrationen, Bindungsereignissen und Redox-Reaktionen werden gezeigt. Ein
solcher Nanosensor wird nur von einem Volumen in der winzigen Gr¨oßenordnung von Attolitern
beeinlußt. Erste Experimente zur Steigerung der Sensorempfindlichkeit zeigen die Entwick-
lungsm¨oglichkeiten dieser Technik.
¨Aktives Andern der Partikelumgebung durch die elektrische Ausrichtung von
Flussigkristallmolek¨ ulen¨ erm¨oglicht es, die Resonanzfrequenz ub¨ er weite spektrale Bere-
iche zu verschieben. Die in dieser Arbeit gezeigten Experimente demonstrieren, daß dieser
neue Effekt eingesetzt werden kann, um Lichtstreuung mit hohem Kontrast und spektraler

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