Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1337
Main Title: Comparative Study of Silver Nanoparticles and Silver(111) by means of Femtosecond Laser Pulses
Translated Title: Vergleichende Studie von Silber-Nanopartikeln und Silber(111) mittels Femtosekunden-Laserpulsen
Author(s): Evers, Florian
Advisor(s): Möller, Thomas
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Als Grundlage für Photodesorptionsexperimente wurden Silbernanopartikel auf einem Al2O3-Film mittels ultrakurzer Laserpulse untersucht, welche die Anregung von Oberflächenplasmonen ermöglichen. Zu diesem Zweck wurde ein nichtkollinearer optisch parametrischer Verstärker konstruiert, welcher die ursprüngliche Pulslänge von 100fs auf weniger als 60fs verkürzt und damit Lebensdauern relevanter angeregter Zustände von weniger als 20fs näher kommt. Gleichzeitig wurde der zugängliche Photonenergiebereich (1,58eV - 2,14eV; 3,16eV - 4,28eV) auf einen kontinuierlich durchstimmbaren Bereich von 1,2eV bis 5,3eV erweitert. Dies ermöglicht einerseits Ein-Photon-Photoemissions(1PPE)-Spektroskopie und andererseits Zwei-Farben-Experimente durch eine geringe benötigte Pump-Intensität. Mit Hilfe der 5,3eV Photonenergie wurden 1PPE Messungen durchgeführt, die zur Detektion eines Peaks unterhalb des Fermi-Niveaus führten. Mit zunehmender Partikelgröße bewegte sich dieser zu niedrigeren Bindungsenergien. Um einen möglichen Zusammenhang mit dem Oberflächenzustand auf Ag(111) bei ähnlicher Bindungsenergie aufzuzeigen, wurden Nanopartikel sowie ein Ag(111)-Kristall mit Cäsium bedampft, was eine Änderung der Austrittsarbeit bewirkte. Der resultierende Einfluß auf die jeweiligen Zustände wurde anhand des Phasen-Akkumulations-Modells für Oberflächenzustände diskutiert. Die Anwendung von Zwei-Photonen-Photoemissions(2PPE)-Spektroskopie führte zu einer Verbreiterung des Peaks unterhalb des Fermi-Niveaus. Dessen Intensitätsabhängigkeit von der Partikelgröße wurde einerseits bei resonanter Plasmonenanregung (Photonenergie=3.6eV) und andererseits außerhalb der Resonanz (Photonenergie=3.16eV) untersucht. Die nicht resonante Anregung zeigte 6-fach niedrigere Intensität als die resonante, war jedoch immer noch 100-fach höher als die entsprechende Photoemission von Ag(111). Ein Durchstimmen der Photonenergie beeinflußte die Peakform, was durch einen resonanten Übergang von einem besetzten über einen unbesetzten Zustand erklärt werden konnte. Die Abhängigkeit dieser Zustände von der Partikelgröße deutete auf zugrundeliegende Quantum-Well(QW)-Zustände, was wiederum durch Bedampfen mit Cäsium überprüft wurde. Die daraus folgende Abnahme der Austrittsarbeit offenbahrte zusätzliche Strukturen, im Einklang mit dem gängigen QW-Zustandsmodell. Diese Strukturen konnten durch eine QW-Zustandssimulation für eine breite Partikelgrößenverteilung wiedergegeben werden, wobei der QW-Zustand mit höchster Bindungsenergie mit dem in 1PPE detektierten Peak identifiziert wurde. Die Adsorption von NO führte zu einer starken Dämpfung der Plasmonenanregung. Deren Abhängigkeit von der Bedeckung ließ auf eine Beteiligung des Plasmons in beiden 2PPE-Anregungsschritten schließen, was durch Zwei-Farben-Experimente bestätigt wurde. Zeitaufgelöste Messungen konnten schließlich den wesentlichen strahlungslosen Zerfallskanal der Plasmonenanregung aufzeigen. Außerdem ließen sich Lebensdauern von unbesetzten Zwischenzuständen bestimmen. Die gesamten 2PPE Resultate legen letztlich den Schluß nahe, daß die Plasmonenanregung im Hinblick auf die Photoemission lediglich zu einer Erhöhung des elektrischen Feldes führt, welche im vorliegenden Fall einem Faktor von 2,3 entspricht.
As fundamental study to photodesorption experiments silver nanoparticles supported by an Al2O3-film were investigated with femtosecond laser pulses, providing the excitation of the surface plasmon. For that purpose a noncollinear optical parametric amplifier was constructed to reduce the original pulse width of ~100fs to less than 60fs, approaching relevant excited state lifetimes of less than 20fs. At the same time the accessible photon energy range (1.58eV - 2.14eV and 3.16eV - 4.28eV) was extended to a continuously tunable range reaching from 1.2eV up to 5.3eV. This allows one-photon photoemission(1PPE) spectroscopy. The small required pump intensity makes two-colour experiments possible. Employing the 5.3eV photon energy output 1PPE experiments were carried out. These experiments revealed a peak below the Fermi level shifting to lower binding energy with increasing particle size. To check its relation to the surface state on Ag(111) at similar position, both the nanoparticles and a Ag(111) crystal were deposited with cesium to alter the work function. The resulting influences were discussed by comparison with the phase accumulation model of surface states. In two-photon photoemission(2PPE) spectroscopy the peak below the Fermi cutoff appeared broadened. Firstly, its intensity dependence on particle size was recorded at the plasmon resonance position of silver nanoparticles (photon energy=3.6eV) and off-resonant (photon energy=3.16eV). The intensity at off-resonance was a factor of six lower than at resonance but still up to 100 times larger than the corresponding overall photoemission yield of Ag(111). By tuning the photon energy the peak's shape changed which could be assigned to a resonant transition from an occupied state via an unoccupied state. The dependence of these states on particle size suggested quantum well states (QWS), also checked by deposition with cesium. The resulting decrease of work function revealed additional features, as expected from the applied QWS-model. By taking a broad particle size distribution into account, a simulation by QWS could reflect the essential experimental features. Moreover, the QWS at lowest energy was identified with the peak detected in 1PPE. By exposure to NO, favoured for photodesorption experiments, the plasmon excitation on nanoparticles was strongly damped. The dependence on coverage suggested that both excitation steps in 2PPE are driven by plasmon excitation. This was also confirmed by two-colour experiments. Further, time-resolved experiments could map the major nonradiative decay channel of the plasmon excitation. First results on intermediate state lifetimes were obtained. The entirety of 2PPE results showed that the excitation of plasmons can simply be regarded as enhancement of the electric field with respect to photoemission, which was determined to be a factor of 2.3 in this case.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-12608
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1634
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1337
Exam Date: 20-Mar-2006
Issue Date: 20-Apr-2006
Date Available: 20-Apr-2006
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Oberflächenplasmon
Plasmon-Zerfallskanal
Plasmonendämpfung
Quantum-Well-Zustände
Silber-Nanopartikel
Plasmon damping
Plasmon decay channel
Quantum well states
Silver nanoparticles
Surface plasmon
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