Plasmonische Partikel

Erzeugung und kontrollierte Anordnung metallischer Nanopartikel sind Grundvoraussetzungen für die Herstellung plasmonischer Komponenten. Gold- oder Silber-Nanopartikel-Arrays werden beispielsweise als Substrate für die oberflächenverstärkte Ramanspektroskopie (SERS) verwendet. Die Plasmonenresonanz dieser Edelmetall-Nanopartikel ermöglicht eine hohe Sensitivität im sichtbaren Spektralbereich. Nanostrukturierte Gold- oder Silberfilme auf Glas bieten wegen ihrer geringen Schichthaftung allerdings für viele Anwendungen keine ausreichende Stabilität. Daher werden Konzepte gesucht, die Partikel teilweise oder ganz in das oberflächennahe Glasmaterial einzubetten. Eine derartige Einbettung (Implantation) kann durch gepulste UV-Laserbestrahlung dünner, auf Glas abgeschiedener Edelmetallfilme mit hinreichender Laserfluenz realisiert werden. Für die Implantation von Gold in Quarzglas werden Laserfluenzen von 1 J/cm² bei einer Laserwellenlänge von 193 nm benötigt. Wird das Quarzglas vor der Metallbeschichtung mit SiOx (x ≈ 1) beschichtet, kann die Implantation bei deutlich geringeren Fluenzen ab 0.2 J/cm² realisiert werden. 

 

Partikel mit Durchmessern im Bereich 10-60 nm werden in eine Tiefe von etwa 40 nm implantiert, wie transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen zeigen. Ein anschließender Temperschritt bei hohen Temperaturen führt zur Oxidation von SiOx zu SiO2, ohne die Tiefenverteilung der Partikel zu verändern. Absorptionsspektren zeigen eine charakteristische Plasmonenresonanz bei 540 nm. Auf diese Art können Quarzgläser mit oberflächennah eingebetteten plasmonischen Partikeln hergestellt werden, die als robuste Substrate für zahlreiche plasmonische Anwendungen in Frage kommen.

 

Weiterführende Information:

H. Stolzenburg, P. Peretzki, N. Wang, M. Seibt, J. Ihlemann:
Implantation of plasmonic nanoparticles in SiO2 by pulsed laser irradiation of gold films on SiOx-coated fused silica and subsequent thermal annealing Applied Surface Science 374, 138 (2016)

M. Heinz, V.V. Srabionyan, L.A. Avakyan, A.L. Bugaev, A.V. Skidanenko, V.V. Pryadchenko,
J. Ihlemann, J. Meinertz, C. Patzig, M. Dubiel, L.A. Bugaev:
Formation and implantation of gold nanoparticles by ArF-excimer laser irradiation of gold-coated float glass, Journal of Alloys and Compounds 736, 152 (2018)

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