High Resolution Optical Microscopy on Single Gold Nanoparticles

Abstract

Combining confocal microscopy with higher order laser modes, so-called radially and azimuthally polarized Doughnut modes, allows to uncover subdiffractional information about individual gold nanoparticles. Either the elastically scattered light or the photoluminescence emission of spatially isolated particles was detected. Thus, differently shaped particles render characteristic patterns. For gold nanorods and triangles, the 2D particle orientation is directly visualized and can be precisely determined. In-situ atomic force microscopy (AFM) was used to independently measure the particles’ orientations. Especially when the scattered light is detected, the sensitive dependence of the signal amplitude and the signal-to-noise ratio allows to probe dielectric interfaces. Moreover, combining experimental scattering images with simulated data, the 3D orientation of gold nanorods embedded in a polymer film can be detected. Finally, apertureless scanning near-field optical microscopy (SNOM) shows enhanced photoluminescence emission at the tips of gold nanorods.

Durch die Kombination von konfokaler Mikroskopie mit Lasermoden höherer Ordnung, so genannten radial und azimutal polarisierten Doughnut-Moden, können Informationen auf Nanometerskala über einzelne Goldnanopartikel erhalten werden, die mit beugungsbegrenzter Mikroskopie nicht ohne Weiteres zugänglich sind. Dabei kann sowohl das elastisch gestreute Licht als auch die Photolumineszenzemission der Partikel detektiert werden. Verschiedene Partikelformen lassen sich auf Grund ihrer charakteristischen Muster unterscheiden. Im Fall von Goldnanostäbchen und -dreiecken wird darüber hinaus die zweidimensionale Partikelorientierung direkt abgebildet und kann präzise bestimmt werden. Die Orientierung einzelner Partikel wurde parallel mit in-situ Atomkraftmikroskopie bestätigt. Besonders bei der Detektion des elastisch gestreuten Lichts lassen die Signalintensität und das Signal-Rausch-Verhältnis Rückschlüsse auf die dielektrische Probengrenzfläche zu. Werden Goldnanostäbchen in einen Polymerfilm eingebettet, kann ihre dreidimensionale Orientierung durch Vergleich mit theoretischen Simulationen der Streumuster abgeschätzt werden. Mittels aperturloser optischer Nahfeldmikroskopie (SNOM) wird die verstärkte Photolumineszenzemission an den Enden von Goldnanostäbchen bestimmt.