Plasmonisch aktive Schichten und Nanostrukturen für die Material- und Sensorentwicklung

Schmidl, Gabriele GND

Der Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Evaluierung neuer Materialkombinationen und kostengünstiger Herstellungstechnologien für die Realisierung definierter, spezieller optischer Eigenschaften von Oberflächen, Nanopartikeln (NP) und -strukturen auf Basis von Schichttechnologien, insbesondere in Hinblick auf die Integration in Sensorplattformen für die Bioanalytik. Plasmonisch aktive Oberflächen z.B. als LSPR-Oberflächen oder SERS-Substrate erfordern anwendungsbezogene Eigenschaften. Deshalb werden in der Arbeit unterschiedliche Herstellungsverfahren von NP und Strukturen, wie die Temperatur- und Matrix-induzierten Verfahren, ein Laser-induziertes Verfahren und das Template-Stripping untersucht und die experimentellen Ergebnisse diskutiert. Als Schichtmaterialien wird auf fcc-Edelmetalle wie Au und Ag eingegangen, die für die Bioanalytik besonders interessant sind. Bei der Sputter-Abscheidung wachsen diese substratunabhängig mit einer (111)-Vorzugsorientierung auf und bilden, insbesondere bei niedrigen Drücken, sehr glatte und dicht gepackte Oberflächen aus. Diese glatten Oberflächen verbessern die Güte der Schicht und verlängern damit die Propagationslänge der SPP. Die Plasmonik von NP, d.h. die Dichteoszillationen der freien Ladungsträger, werden nicht nur von der Größe, der Form und dem Material, sondern auch von dem Umgebungsmedium bestimmt. Das Aufbringen einer Schicht in fester Phase auf die NP - in dieser Arbeit SiO2, SiNx, ZnO, Al2O3, STO oder YBCO - beeinflusst nicht nur die LSPR-Bande durch einen anderen Brechungsindex der Umgebung, sondern wirkt sich auch auf den Partikelbildungsprozess bzw. Umformungsprozess selbst aus. Als besonders interessant stellten sich die Matrix-induzierte NP-Bildung unter Verwendung einer STO-Schicht und der UV-Laser-induzierte Prozess heraus. Weiterhin werden messtechnische Ansätze für hybride Bioanalytik-Plattformen realisiert, mit denen durch die Kombination von optisch sensitiven Nachweismethoden (Cavity-Ring-Down Verfahren und planare Ring-Wellenleiter-Strukturen) mit der Plasmonik eine Steigerung bezüglich Selektivität und Sensitivität in der Bioanalytik erreicht werden kann. So war es z.B. möglich mit der Sensorplattform basierend auf der Cavity-Ring-Down Methode kombiniert mit der NP-Plasmonik und mikrofluidischem System einen DNA-Nachweis mit einem LOD von ca. 3fM zu realisieren.

The focus of the work is the investigation of new material combinations and cost-effective fabrication technologies realizing defined, special optical properties of surfaces, nanoparticles (NP) and structures based on thin film technologies, especially with regard to the integration in sensor platforms for bioanalytics. Plasmonically active surfaces for instance as LSPR surfaces or SERS substrates require application-related properties. For this reason, different fabrication methods of NP and structures such as temperature- and matrix-induced methods, a laser-induced method and the template stripping process are investigated and the experimental results are discussed. The NP materials are fcc-precious metals such as Au and Ag, which are of particular interest for bioanalytics. By sputter deposition, they grow independently of the substrate with a (111) preference orientation and form very smooth and densely packed surfaces, especially at low Ar pressures. These smooth surfaces improve the quality of the layers or surfaces and thus extending the propagation length of the SPP. The NP plasmonics, i.e. the density oscillation of the free charge carriers, are determined not only by the size, the shape and the material of the NP but also by the surrounding medium. The deposition of a layer of solid phase onto the NP - in this work SiO2, SiNx, ZnO, Al2O3, STO or YBCO - not only affects the LSPR band by the different refractive index of the environment, but also affects the particle formation process or transformation process itself. The matrix-induced NP formation using a STO cover layer and the UV laser-induced process were of particular interest. Furthermore, measurement setups for hybrid bioanalytical platforms will be realized, which can increase the selectivity and sensitivity in bioanalytics by combination of optically sensitive detection methods (cavity-ring down and planar ring waveguide structures) with plasmonics. Thus, it was for instance possible to realize DNA detection with a LOD of about 3fM based on the cavity-ring down method combined with NP plasmonics and microfluidic systems.

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Schmidl, Gabriele: Plasmonisch aktive Schichten und Nanostrukturen für die Material- und Sensorentwicklung. Ilmenau 2019.

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