Tip-Enhanced Optical Spectroscopy: Resonance, Hotspot, Imaging, and Radiation

Abstract

Die Arbeit zielt darauf ab, das Verständnis der Licht-Materie-Wechselwirkung im Nanometerbereich mithilfe von selbstgebauter konfokaler und spitzenverstärkter (TE) optischer Spektroskopie mit aperturloser optischer Nahfeldmikroskopie (aSNOM) zu vertiefen. Diese Technik erreicht eine hohe räumliche Auflösung über die Beugungsgrenze hinaus unter Ausnutzung der starken lokalen Feldverstärkung in der Nähe der Au-Spitze. TE Raman und PL von molekularen Metall-Pc-Dünnfilmen (CuPc, CoPc) auf einkristallinem Au oder nanostrukturiertem Au werden untersucht. Durch Durchführen von Annäherungskurven optischer Signale kann die Verbesserung für TE Raman und PL aufgedeckt werden. Durch Implementierung der Back-Focal-Plane (BFP)-Abbildungstechnik mit einem Parabolspiegel mit hoher numerischer Apertur (NA) werden die Strahlungseigenschaften der Au-Spitze und der plasmonischen Lücke beobachtet. Durch die Durchführung der elektrodynamischen Simulationen im FDTD-Schema werden quantitative Einblicke in die Messungen geliefert. Kapitel 1 bietet eine allgemeine Einführung in die Mikroskopie und die spitzenverstärkte Spektroskopie. Grundlagen des Raman-Effekts und der damit verbundenen optischen Spektroskopie werden eingeführt. Das Prinzip der oberflächenverstärkten (SE) und spitzenverstärkten (TE) Spektroskopie wird in den folgenden Arbeit erläutert. Lasermoden höherer Ordnung sind grundlegend in der optischen Mikroskopie, deren Fokusfelder explizit ausgedrückt und visualisiert werden. Die Hertz-Dipolstrahlung und die Dipolantennen unterschiedlicher Länge werden formuliert und visualisiert. Elektrodynamische Simulationen im Finite-Difference-Time-Domain-(FDTD)-Schema werden mit praktischen Beispielen eingeführt. Kapitel 2 untersucht die Oberflächenplasmonenresonanz (SPR), die Charge-Transfer-Resonanz (CT) und die molekulare Resonanz durch zweifarbige SERS und TERS unter Verwendung von Au-Nanoscheiben (NDs). Das Au-NDs-Array mit dem abgeschiedenen molekularen Dünnfilm zeigt SERS- und TERS-Effekte bei der Bildgebung und entsprechende optische Spektren durch Zweifarbenanregung (532 und 636 nm). Die drei Beiträge zu SERS werden mit einem analytischen Ausdruck dargestellt und Faktor für Faktor diskutiert. Kapitel 3 zeigt die lückenabhängigen optischen Signale in der Spitze-Au-Substrat Konfiguration. Der variable Abstand zwischen Au-Spitze und Au-Substrat ermöglicht es, den Kopplungsprozess aufzudecken. Die Raman-Verstärkungen und die Hintergrundemission werden beobachtet und mit ausgezeichneter Übereinstimmung mit FDTD-Simulationen diskutiert. Kapitel 4 Die Feinstruktur von CuPc-Filmen wird mit einer optischen Auflösung von weniger als 10 nm durch spitzenverstärkte Mikroskopie und Spektroskopie untersucht. Die optischen TE-Bilder sind invers mit der Topographie korreliert. Diese inverse Korrelation zwischen Optik und Topographie wird mit FDTD-Simulationen verglichen. Grundlegende Mechanismen der Bildgebung im Nanometerbereich werden diskutiert. Kapitel 5 enträtselt die Strahlungsmuster der plasmonischen Lücke. Strahlung wird experimentell und systematisch durch BFP-Bildgebung realisiert. Die plasmonischen Moden auf Au-Tapern werden diskutiert. Die durch FDTD-Simulationen berechneten elektrischen Felder mit radialer Polarisation als Quelle werden visualisiert. Die Strahlung der Kegelverjüngung wird mit dem reziproken Bild der adiabatischen Kompression entwirrt. Die Geometrie und die geneigte Spitze oder das geneigte Substrat können die Emissionsmuster beeinflussen. Die BFP-Bildgebung mit dem auf der Achse liegenden Parabolspiegel mit hoher numerischer Apertur (NA) kann die Winkelverteilungen der Strahlung erfassen. Basierend auf den FDTD-Simulationen können wir den Einfluss der geneigten Geometrie vorhersagen. Das Resonanzverhalten bei der EM-Verstärkung und der chemischen Verstärkung in SERS und TERS wird aufgezeigt. Es wird die Entwicklung der Raman-Streuung bei unterschiedlichen Spaltgrößen untersucht. Die optische Ortsauflösung von sub-10 nm wird realisiert und stimmt mit den Simulationen überein. Die Strahlungseigenschaften des Au-Tapers werden durch BFP-Bildgebung aufgedeckt. Die Fernfeldbeiträge der plasmonischen Lücke werden diskutiert. Alle diese Arbeiten bieten weitere Einblicke in die Spektroskopie und Mikroskopie im Nanometerbereich, die den Menschen helfen, neue optische Techniken in relevanten Bereichen zu entwerfen und zu entwickeln.