Gap-Plasmon und Spitzen-verstärkte Ramanstreuung an Halbleiternanostrukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Dietrich R. T. Zahn
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 410250059

Das geplante Projekt zielt auf die Erforschung des Gap-Plasmon-induzierten Verstärkungseffekts in der Ramanstreuung durch einzelne Halbleiternanostrukturen in der Nähe von metallischen Nanostrukturen mit einer lateralen Auflösung im Nanometerbereich.Das evaneszente elektromagnetische (EM) Feld eines lokalisierten Oberflächenplasmons (LSP) in metallischen Nanostrukturen induziert optische Resonanzphänomene in benachbarten Halbleiternanokristallen (NCs) insbesondere spitzen- und oberflächenverstärkte Ramanstreuung (TERS und SERS). Gap-Plasmonen, die zwischen metallischen TERS-Spitzen und metallischen Nanostrukturen angeregt werden, können das lokale EM-Feld weiter drastisch verstärken und damit auch das TERS-Signal von Halbleiternanostrukturen, die im Gap platziert werden.Hybride Nanostrukturen aus CdSe-, CdS-, CuS- oder PbS-NCs mit variabler Größe synthetisiert mittels Langmuir-Blodgett-Technik und abgeschieden auf Arrays von Goldnanoclustern sind die Schlüsselobjekte dieses Projekts. Zusätzlich wird eine MoS2-Schicht auf den Goldarrays genutzt als Modellsystem, um die Natur der Gap-induzierten TERS-Phänomene einschließlich Resonanzeffekten, Einflüssen von Nah- und Fernfeld sowie Polarisationseigenschaften zu untersuchen. Die Präparation der metallischen Nanostrukturen, d.h. der Arrays von Goldnanoclustern, für die folgende NC-Abscheidung wird verbessert. Für TERS-Experimente werden Cantilever mit Metallclustern (Au, Ag) an der Spitze mit spezifischen LSP-Resonanzenergien (LSPR) hergestellt. Die Morphologie der Nanostrukturen mit gezielt einstellbaren plasmonischen Eigenschaften wird festgelegt aufgrund von 3D full-wave Simulationen mit ANSYS HFSS™. Die Abmessungen, Morphologien und Oberflächen der NCs als auch der metallischen Nanostrukturen werden mittels Transmissions-, Rasterelektronen- und Rasterkraftmikroskopie sowie Röntgenphotoemissions-spektroskopie bestimmt. SERS und TERS in Resonanz der Energien von Anregungslicht, NC-Exzitonen und LSPR in den metallischen Nanostrukturen wird zur Verstärkung der Raman-Intensitäten um mehrere Größenordnungen führen und so erlauben, die Schwingungs- und elektronischen Spektren einzelner Nanostrukturen zu bestimmen. Die Energiepositionen der Raman-Moden aufgrund von Streuung an elementaren Anregungen (zunächst confined optische und Oberflächenphononen) in Halbleiternanostrukturen, ihre Intensitäten und Polarisationsabhängigkeiten werden wertvolle Informationen über z.B. den Confinement-Effekt, mechanische Verspannungen und strukturelle Veränderungen in einzelnen Halbleiternanostrukturen liefern.Die beispiellose Verstärkung von Gap-Plamon TERS von Halbleiternanostrukturen im Gap zwischen der metallischen Spitze des Cantilevers und der Metallnanostruktur zusammen mit einer lateralen Auflösung wird erreicht aufgrund der gewaltig verbesserten Durchstimmbarkeit der optischen und elektronischen Eigenschaften, z.B. anhand von Größe und Form sowohl der Halbleiter- als auch Metallnanostrukturen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research
• Kooperationspartner: Professor Dr. Alexander Germanovich Milekhin