Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1353
Main Title: Plasmonen in einzelnen oxidgetragenen Edelmetallpartikeln
Translated Title: Plasmons in single oxide-supported noble metal particles
Author(s): Benten, Wolfgang
Advisor(s): Freund, Hans-Joachim
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die Anregung von Plasmonen in nanoskopischen Teilchen führt insbesondere bei Edelmetallen zu einem elementspezifischen resonanten Verhalten ihrer optischen Eigenschaften. Im Rahmen dieser Arbeit wird dieses Verhalten herangezogen, um Informationen über den Legierungsprozess von Silber und Gold zu gewinnen. Die optischen Eigenschaften einzelner deponierter Cluster werden mithilfe einer Kombination aus Rastertunnelmikroskopie (STM) und optischer Emissionsspektroskopie bestimmt. Hierzu wird die STM-Spitze über einen ausgewählten Cluster positioniert und dieser durch Elektroneninjektion zur Photonenemission angeregt. Das abgegebene Licht wird mit einem Spektrographen nachgewiesen. Als Trägersubstrat für die 5-10 nm großen Cluster dient ein dünner, wohlgeordneter Aluminiumoxidfilm auf einem NiAl(110)-Einkristall. Die optischen Spektren werden mit Modellrechnungen verglichen, die auf der Mie-Theorie basieren. Hierdurch kann die beobachtete Lichtemission auf den strahlenden Zerfall der senkrechten (1,0)-Mode einer Mie-Plasmonenresonanz zurückgeführt werden. Des Weiteren zeigt sich, dass ein gleichzeitiges Deponieren von Silber und Gold zu einer kompletten Durchmischung in den einzelnen Clustern führt. Durch nacheinander folgendes Aufbringen entstehen Cluster mit einer Schalen-Kern-Struktur, wobei das zuerst aufgebrachte Metall den jeweiligen Kern bildet. Für Goldschalen/Silberkern-Strukturen wird eine erhebliche Durchmischung an der Grenzschicht beobachtet, die unter anderem mit einer erhöhten Beweglichkeit der Silberatome erklärt wird. Um die Relaxationsdynamik von Plasmonen in einzelnen Edelmetallpartikeln zu charakterisieren, wurde eine neue experimentelle Methode aufgebaut, bestehend aus zeitaufgelöster Zwei-Photonen-Photoemission mittels Femtosekunden-Laserpulsen und Photoemissions-Elektronenmikroskopie. Mit dieser Methode werden einzelne 500 nm große Silberpartikel auf einem Siliziumwafer untersucht. Durch Variation der Polarisationsrichtung der Laserpulse können Plasmonenmoden senkrecht (1,0) bzw. parallel (1,1) zur Probenoberfläche angeregt werden. Hierbei zeigt die (1,0)-Mode bei der verwendeten Laserenergie eine deutlich stärkere Photoemissionsausbeute, was sich auf eine resonante Anregung dieser Plasmonenmode zurückführen lässt. Das Photoemissionssignal variiert zudem in Intensität und Linienbreite von Partikel zu Partikel, was auf eine Größen- und Formverteilung der einzelnen Teilchen und entsprechend unterschiedliche Resonanzeigenschaften hinweist. Die Ergebnisse dieser Arbeit demonstrieren die Möglichkeit, optische Emissionsspektroskopie an einzelnen deponierten Metallclustern durchzuführen und diese bezüglich ihrer Größe, Form und chemischen Zusammensetzung zu charakterisieren. Die im Rahmen dieser Arbeit aufgebaute zeitaufgelöste Photoemissions-Elektronenmikroskopie ermöglicht zudem die gleichzeitige räumliche und zeitliche Untersuchung von Plasmonenanregungen in einzelnen Metallpartikeln.
Plasmon excitations in nanoscopic metal particles lead to an element specific resonant behaviour in their optical properties, in particular for noble metals. This behaviour is used here to gain information on the alloying process of silver and gold. Optical properties of single supported clusters are obtained from scanning tunneling microscopy (STM) combined with optical emission spectroscopy. In the experiments, the STM tip is placed above a chosen cluster, which is excited by electron injection followed by photon emission. The emitted light is analysed using a spectrograph and detected by a CCD chip. The 5-10 nm sized clusters are deposited on an ultrathin, ordered alumina film on a NiAl(110) single crystal. The optical spectra are compared to model calculations based on Mie theory. From this comparison, the observed light emission can be attributed to the radiative decay of the perpendicular (1,0)-mode of a Mie plasmon resonance. It was further shown that simultaneous deposition of the two noble metals, silver and gold, leads to a complete mixing of both materials in the single particles. By successive deposition, clusters grow in a shell-core structure, whereby the metal deposited first forms the core. For gold-shell/silver-core clusters a strong intermixing of core and shell materials is found, explained by a higher mobility of the silver atoms. The relaxation dynamics of plasmons in single noble metal particles is analysed employing time-resolved two-photon photoemission by means of femtosecond laser pulses and photoemission electron microscopy. With this newly implemented approach, 500 nm sized silver particles on a silicon wafer are analysed. Plasmon modes oriented perpendicular (1,0) and parallel (1,1) to the sample surface can be excited by varying the polarisation direction of the laser pulses. Excitation of the (1,0)-mode results in a much stronger photoemission yield due to the resonant excitation of this plasmon mode. Furthermore, the photoemission signal varies in intensity and line width for the different particles, which is due to their size and shape distributions leading to different resonance properties. The experiments presented here demonstrate the possibility to perform optical emission spectroscopy on individual supported metal clusters and to characterise their optical properties regarding size, shape and chemical composition. Furthermore, the implemented time-resolved photoemission electron microscopy allows an investigation of plasmon excitations in single metal particles in space and time.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-12673
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1650
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1353
Exam Date: 31-Mar-2006
Issue Date: 23-May-2006
Date Available: 23-May-2006
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Edelmetallcluster
Legierung
Photon-STM
Plasmonen
Zeitaufgelöstes PEEM
Alloy
Noble metal cluster
Photon-STM
Plasmons
Time-resolved PEEM
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