Authors:	Zins, Inga
Title:	Plasmonic nanorods and nanoparticle-assemblies
Online publication date:	29-Mar-2011
Year of first publication:	2011
Language:	english
Abstract:	Die vorliegenden Dissertation beschäftigt sich mit plasmonischen Nanopartikeln, deren Wechselwirkung mit Licht in einer Plasmonenschwingung resultiert. Suspensionen dieser Partikel zeigen kräftige Farben, da sich die Resonanzfrequenz der Plasmonenschwingung im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrum befindet. Durch die Veränderung interner (Material, Größe, Form) oder externer Parameter (Brechungsindex der Umgebung, Abstand zu anderen plasmonischen Partikeln) lässt sich die Farbe der Partikel verändern, eine Verschiebung der Resonanzfrequenz kann beobachtet werden. Ihre Sensitivität gegenüber äußeren Bedingungen ist der Grund, weshalb plasmonische Nanopartikel als Sensoren eingesetzt werden können. Wichtig ist hierbei nicht nur, dass die Partikel eine hohe Sensitivität zeigen, sondern auch die Möglichkeit, reproduzierbar Partikel zu synthetisieren, die experimentellen Anforderungen entsprechen. In der vorliegenden Arbeit wird das Wachstum von reinen Gold- und mit Silber beschichteten Goldnanostäbchen untersucht. Des Weiteren werden plasmonische Nanopartikel als Orientierungs-, Brechungsindex- und Abstandssensoren verwendet. Die Synthese von Goldnanostäbchen erfolgt auf nasschemischen Weg, ihr anisotropes Wachstum aus isotropen Keimen wird durch zahlreiche Faktoren beeinflusst. In diesem Zusammenhang wurde ein Wachstumsmodell entwickelt, das neben dem Vorhandensein eines Stabilisators auch die Rolle von Bromid- und Silberionen herausstellt, die durch selektive Adsorption das Wachstum bestimmter Kristallflächen inhibieren. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Potentialdifferenz zwischen Reduktions- und Oxidationsmittel klein sein muss, um ein langsames selektives Wachstum zu gewährleisten. rnDurch das Aufwachsen einer dünnen Silberschicht auf Goldnanostäbchen verbessert sich deren Qualität im Bezug auf die heterogene Linienbreite. Der “Plasmonic Focusing Effect”, die Änderung der Steigung des linearen Zusammenhangs von Plasmonenresonanz und Aspektverhältnis, konnte theoretisch berechnet und experimentell verifiziert werden. Durch die Aufnahme zeitaufgelöster Spektren und die Untersuchung des Verlaufs der Reaktion wurden sowohl Reaktionsordnung, als auch Aktivierungsenergie ermittelt. Das so gefundene kinetische Model erlaubt zudem die Vorhersage des Reaktionsprodukts zu verschiedenen Zeiten. rnEinzelne Goldnanostäbchen wurden in einer Gelmatrix bei verschiedenen Temperaturen untersucht, die Aufnahme der zeitlichen Variation der polarisationsabhängigen Streuintensität konnte genutzt werden, um den Kollaps des Gels zu charakterisieren. Neben der Verwendung einzelner plasmonischer Nanopartikel wurden auch Dimere, bestehend aus zwei Goldnanokugeln, untersucht. Nach der Kalibrierung der Resonanzfrequenz gegenüber des Abstandes der beiden Partikel durch externe Methoden (Lichtstreuung, Cryo- Elektronenmikroskopie) wurde der so gefundene exponentielle Zusammenhang verwendet, um sowohl den Brechungsindex der Umgebung, als auch den Abstand der beiden Goldnanokugeln zu bestimmen. Des Weiteren wurden Goldnanopartikeldimere benutzt, um ein als Linker verwendetes thermoresponsives Elastin-Polymer bei verschiedenen Temperaturen zu charakterisieren. Neben Aggregaten aus zwei Goldnanokugeln wurden auch so genannte “core-satellite” Strukturen synthetisiert, die um einen großen Goldnanopartikelkern viele kleine Goldnanopartikel tragen. Diese Partikel haben eine theoretisch vorhergesagte höhere Sensitivität gegenüber Brechungsindexänderungen, was in ersten Experimenten gezeigt werden konnte. Plasmonic nanoparticles are subject to this study. They have the property that their interaction with light results in a plasma-oscillation, visible in bright colors of the nanoparticle suspensions. The color of the particles depends on intrinstic (material, size, shape), as well as on external features (refractive index of the surrounding , distance of neighbouring nanoparticles). They are therefore used as plasmonic sensors, reporting on changes in their environment. The demand for sensing applications is not only a good sensitivity. The ability to reproducibly synthesize plasmonic nanoparticles with designed features is important as well. Here, the growth of gold and silver-coated nanorods is studied, and the use of nanoparticles as orientation, refractive index, and distance sensor is explored.rnA model for the growth of gold nanords is developed. It turns out that there are several factors, which need to be fullfilled to do a succesful synthesis. Besides the presence of surfactant to stabilize the growing particles, also bromide and silver are crucial, as well as a small electrochemical potential difference between reducing and oxidizing reaction partners to allow for slow selective anisotropic growth. Those gold nanorods are used to monitor the collapse of a gel matrix by recording polarization-dependent time traces of their scattering intensity.rnA chemical modification of the gold nanorods by a silver-shell increases the sample quality with respect to the ensemble linewidth. The plasmonic focusing effect, a change in the slope of the plasmon-shape-relation, is discovered. The easy optical monitoring allows to study the kinetics of this reaction. Knowing reaction order and activation energy, the progress in the reaction is forecast and the quenching time for a desired resonance wavelength is predicted.rnBesides the application of single nanoparticles, also assemblies of them are probed. The controlled arrangement of two particles of the same size is used to determine the interparticle distance by different methods of calibration, including light-scattering and TEM-techniques. The polarization of the scattered light along or perpendicular to the interparticle axis is used to measure both, refractive index and interparticle distance, at once. Furthermore, the dimers are a tool to characterize the behaviour of a thermoresponsive elastin-like linker-molecule upon changes in the temperature and concentration. Core-satellite structures, consisting of a big core particle surrounded by several smaller ones are used as refractive index sensor. It turns out that they are better suited for refractive index sensing applications than pure spherical particles of the same size, since their senistivity is much higher.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4767
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-27456
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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