English Title: Enhanced infrared spectroscopy of molecules with arrays of gold nanoantennas

Preview

PDF, German (Dissatation) - main document Download (17MB) | Terms of use

Abstract

Verstärkte Infrarotspektroskopie von Molekülen mit Feldern aus Gold-Nanoantennen Im Rahmen dieser Arbeit wurden mit Elektronenstrahllithographie hergestellte Gold-Nanoantennen, die in Feldern auf der Oberfläche angeordnet waren, mit einem Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie- Mikroskop hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften im Infraroten untersucht. Die Nanoantennen besitzen die Fähigkeit elektromagnetische Strahlung auf ein nanoskaliges Volumen zu konzentrieren, ein Effekt, der in der Oberflächenverstärkten Infrarot-Spektroskopie (SEIRS) benutzt wird. Zur Untersuchung des SEIRS-Signals wurden chemisorbierte und physisorbierte Moleküle benutzt, die in verschiedenen Messgeometrien untersucht wurde. Bei allen Molekülen konnte eine Erhöhung des SEIRS-Signals durch die Optimierung der Feldparameter beobachtet werden. Für Moleküle, die eine selbstorganisierende Monolage (SAM) bilden, konnte gezeigt werden, dass die Oberflächeneigenschaften der Gold- Nanoantennen der entscheidende Faktor bei der Höhe des SEIRS-Signals sind. Bei Nanoantennen-Feldern mit optimierten Parametern und Oberflächeneigenschaften konnte für SAMs Verstärkungsfaktoren bis 390000 erzielt werden. Ein neuartiger Aufbau, das Infrarot-Quanten-Kaskaden-Laser-Mikroskop, das über einen Quanten-Kaskaden-Laser als Lichtquelle verfügt, wurde charakterisiert. Mit der neuartigen Lichtquelle ist es möglich, Bilder mit einer Auflösung von 9 μm mit einer IR-Kamera über große Bereiche einer Probe in relativ kurzer Zeit aufzunehmen.

Translation of abstract (English)

Enhanced infrared spectroscopy of molecules with arrays of gold nanoantennas In this work, gold nano-antennas have been produced by electron beam lithography. They have been arranged in arrays on a surface. Their optical properties in the infrared were investigated with a Fouriertransform infrared spectroscopy microscope. The nano-antennas are capable of concentrating electromagnetic radiation on a nanoscale volume. This effect is used in surface-enhanced infrared spectroscopy (SEIRS). For the investigation of SEIRS-signals, chemisorbed and physisorbed molecules were used, which were studied in different measurement geometries. For all molecules, an increase of the SEIRS-signal through the optimization of the array parameters was observed. For molecules that form a self-assembled monolayer (SAM), it was shown that the surface properties of the gold nano-antennas are the deciding factor for the strengh of SEIRS signals. In nano-antennas arrays with optimized parameters and surface properties, gains could be achieved up to 390000 for SAMs. A novel set-up, the infrared quantum cascade laser microscope that has a quantum cascade laser as a light source has been characterized. With the new light source, it is possible to take pictures with an IR camera over large areas of a sample in a relatively short time with a resolution of 9 μm.