English Title: Preparation and characterization of plasmonic nanomaterials

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Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurden bottom-up Herstellungsverfahren für plasmonische Sensoren entwickelt. Sie wurden durch eine Kombination von kolloidaler Lithographie und chemischer Goldabscheidung präpariert. Als Kolloide kamen Hydrogelkugeln zum Einsatz, deren Volumen durch externe Stimuli verändert werden kann. Diese weichen Mikrosphären bilden durch Selbstorganisation zweidimensionale nicht-dichtest-gepackte Gitter. Ihre Gitterkonstante und der Kolloid-Durchmesser konnten hier erstmalig unabhängig voneinander kontrolliert werden. Die Hydrogelkugeln dienten sowohl als Maske für die Erzeugung eines periodischen Lochmusters in einem Goldfilm als auch als Matrix für die Abscheidung von Gold in den Löchern.Die optischen Eigenschaften von Goldnanostrukturen werden durch Oberflächenplasmonenresonanz bestimmt, die durch die Morphologie der Goldnanostruktur beeinflusst wird und empfindlich auf Veränderungen im Brechungsindex reagiert. Daher werden Goldnanostrukturen als Sensoren eingesetzt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Sensoren mit gesteigerter Empfindlichkeit auf Basis von periodischen Lochmustern in Goldfilmen realisiert. Der erste Sensor bestand aus einer koaxialen Goldstruktur, die durch Modifizierung der Hydrogelkugeln mit Goldnanopartikeln und thermische Behandlung erzeugt wurden. Sie wiesen im Vergleich zu einer Lochstruktur ohne Goldnanopartikel eine doppelt so hohe Empfindlichkeit auf. Im zweiten Sensor wurden die Hydrogelkugeln in den Löchern des Goldfilmes belassen und mit einer Goldschicht bedeckt. Die im Lochfilm eingebetteten Gold/Hydrogelkugeln steigerten die Sensitivität des Sensors um mehr als eine Größenordnung.

Translation of abstract (English)

In this work, a bottom-up manufacturing process for plasmonic sensors has been developed. The sensors were prepared using a combination of colloidal lithography and chemical deposition of gold. Hydrogel microspheres were used as colloids, with the ability to alter their volume via external stimuli. These soft microspheres self-assemble into two-dimensional, non-close-packed lattices. We are able to demonstrate here, for the first time, that their lattice constant and colloid diameter can be controlled independently. These hydrogel beads were used both as a mask for the generation of a periodic hole pattern in a gold film, and as a matrix for the deposition of gold into the holes.The optical properties of these goldstructures are determined by surface plasmon resonances, which are dependent on the morphology of the gold nanostructures. As the nanostructures exhibit high sensitivity to changes in the refractive index, they can be used as sensors. Here, we describe the production of two different sensors that exhibit enhanced sensitivity based on the periodic patterns of holes in the gold films. The first sensor consists of a coaxial gold structure produced via the modification of hydrogel colloids with gold nanoparticles and subsequent thermal treatment. When compared to a perforated structure without gold nanoparticles, the sensitivity is doubled. In the other sensor, hydrogel spheres were left in the holes of the gold film and covered with a layer of gold. The embedded gold/hydrogel hemispheres increased the sensitivity of the sensor by more than one order of magnitude compared to controls.