Hybrid plasmonic devices for sensing and thermal imaging

Abstract

Plasmonics is an emerging field in nanooptics, which focuses on the optical properties of resonant subwavelength metal nanoparticles. Historically, such geometries commonly employed noble metal nanoparticles to achieve a variety of effects ranging from nanofocusing of light to negative refraction. Building on these concepts, this thesis investigates hybrid nanoplasmonic devices, which combine passive noble metal nanostructures with chemically reactive or actively tunable materials to obtain novel functionalities.

Utilizing various complex plasmonic geometries, this work pursues two complementary threads of research, covering the technological scale from fundamental science to device applications. On the one hand, it utilizes chemically synthesized hybrid plasmonic "smart dust" nanoprobes to detect progressively lower reagent concentrations. Starting from silica shell-isolated gold nanoparticles, which are used to map the catalytic reactions in adjacent extended palladium thin films, DNA-assembled bimetallic plasmonic nanosensors are investigated to resolve changes in sub-5nm Pd nanocrystals on the single antenna level, pushing the lower limit of chemical detection volume.

On the other hand, it studies plasmonic perfect absorber structures, optical elements designed to absorb all radiation of a certain wavelength, which have shown promise for a variety of technological applications. Here, the focus is on both developing a theoretical model for the optical behavior of plasmonic perfect absorber structures, especially at large incident angles, as well as on the experimental realization of efficient gas sensors and active mid-infrared imaging devices.

Als zentraler Bestandteil der Nanooptik beschäftigt sich die Plasmonik mit dem Studium der optischen Eigenschaften von resonanten metallischen Nanostrukturen. Hierbei wurden bislang vor allem Edelmetalle wie Gold und Silber eingesetzt, was jedoch nur passive plasmonische Geometrien erlaubt.

Hiervon ausgehend beschäftig sich diese Arbeit mit neuartigen hybriden plasmonischen Nanostrukturen. Diese verbinden Edelmetall-Komponenten mit chemisch reaktiven oder extern schaltbaren Materialien um optische Elemente mit neuen Funktionalitäten zu realisieren. In diesem Kontext werden zwei komplementäre Forschungsrichtungen zwischen Grundlagenforschung und technischer Anwendung genauer betrachtet.

Auf der einen Seite steht die Untersuchung chemisch synthetisierter hybrider Nanopartikel (sogenannter "smart dust") zum Nachweis von Chemikalien und Spurengasen in geringen Konzentrationen. Hierzu werden zunächst Siliziumdioxid-überzogene Gold-Nanopartikel eingesetzt um lokale katalytische Reaktionen in benachbarten Palladium-Schichten zu detektieren. Weiterführend wird DNA Nanotechnologie verwendet um kleine Palladiumpartikel kontrolliert in der direkten Umgebung von Gold Nanoantennen zu platzieren. Hierdurch gelingt der optische Nachweis von chemischen Reaktionen in weniger als 5nm großen Metall-Hydrid Partikeln für sehr kleine Detektions-Volumina.

Auf der anderen Seite befasst sich die Arbeit mit sogenannten plasmonischen perfekten Absorbern. Hierbei handelt es sich um optische Elemente, welche für die vollständige Absorption von Licht einer bestimmten Wellenlänge ausgelegt sind. Hier liegt der Fokus unter anderem auf der Entwicklung eines theoretischen Modells für die optischen Eigenschaften solcher Strukturen, insbesondere bei hohen Einfallswinkeln. Weiterhin werden perfekte Absorber für Anwendungen als effiziente Gassensoren sowie für die thermische Bildgebung im Mittelinfraroten experimentell realisiert.