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Plasmon-enhanced Raman scattering by graphene and carbon nanotubes
Heeg, Sebastian

Main titlePlasmon-enhanced Raman scattering by graphene and carbon nanotubes
Title variationsPlasmonenverstärkte Ramanstreuung an Graphen und Kohlenstoffnanoröhren
Author(s)Heeg, Sebastian
Place of birth: Stuttgart
1. RefereeProf. Dr. Stephanie Reich
Further Referee(s)Prof. Dr. Janina Maultzsch
Prof. Dr. Frank Koppens
Keywordsphysics; plasmonics; optical coupling; Raman scattering; plasmon-enhanced Raman scattering; graphene; carbon nantubes
Classification (DDC)530 Physics
SummaryDas physikalische Gebiet der Plasmonik beschreibt Wechselwirkungsprozesse zwischen elektromagnetischen Feldern und freien Elektronen in Metallen. Die optischen Nahfelder in der unmittelbaren Umgebung der Metalle weisen hohe Intensitäten auf. Metallische Nanostrukturen führen zu plasmonischen Hotspots, in denen hohe Feldstärken auf kleinste Volumen konzentriert sind. Die Absorption und Streuung von Licht steigt dort immens an. In der vorliegenden Arbeit untersuche ich mittels Ramanspektroskopie die inelastische Streuung von Licht an Graphen und Kohlenstoffnanoröhren unter dem Einfluss plas- monisch verstärkter Nahfelder. Zunächst führe ich das Konzept verspannten Graphens als Sonde zur Messung plasmonisch verstärkter Ramanstreuung ein. Im Anschluss untersuche ich die Wechselwirkung von Kohlenstoffnanoröhren mit plasmonischen Nahfeldern mittels Ramanstreuung. Die Kopplung von Nanoröhren mit Bereichen hoher Nahfeldintensität erreiche ich durch gezieltes dielelektrophoretisches Abscheiden der Nanoröhren auf plasmonische Strukturen.

Ein plasmonischer Dimer wurde mit Graphen belegt und per Ramanstreuung charakterisiert. Die hohe Nahfeldintensität in der Dimerkavität verstärkte das Graphensignal tausendfach. Die verstärkten Signale stammen ausschliesslich von verspanntem Graphen. Verspannung verschiebt die Vibrationsfrequenzen im Graphen; die Verspannung im Graphen entspricht somit einer lokalen Sonde für die plasmonisch verstärkten Nahfelder. Diese Sonde befindet sich automatisch am richtigen Ort, da sie von der Nanostruktur selbst erzeugt wird. Wir verifizierten die Verstärkung durch ortsaufgelöste Ramanmessungen mit unterschiedlichen Anregungsenergien und -polarisationen. Unsere Methode delektiert die direkte Wechselwirkung von Graphen mit verstärkten Nahfeldern misst: Das intrinsische Ramansignal von Graphen hängt weder von der Polarization noch von der Wellenlänge des einbestrahlten Lichtes ab.

Für in der Kavität plasmonischer Dimere platzierte Kohlenstoffnanoröhren konnten wir Verstärkungen der Ramansignale in der Grössenordnung 10^3 bis 10^4 beobachten. Es gelang es uns, die intrinsischen Resonanzen der Nanoröhren und die externen Resonanzen der Dimere durch die Wahl von Anregungspolarisation und -energie getrennt zu detektieren. Dies zeigte unter anderem, dass plasmonenverstärkte Ramanstreuung an Kohlenstoffnanoröhren mit der Projektion der Nahfeldpolarisation auf die Achse der Nanoröhre skaliert. Desweiteren konnten wir zeigen, das selbst unter Einfluss starker Nahfelder ausschliesslich vollsymmtrische Phononen zum Ramanspektrum von Kohlenstoffnanoröhren beitragen: Ramanmoden, die für ihre Anregung Lichtpolarisationen rechtwinklig zur Achse der Nanoröhre benötigen, können nicht beobachtet werden. Dies klärt eine langjährigen wissenschaftliche Debatte über die Symmetrie der Phononen in Nanoröhren. Das zielgerichtete Ablegen von Kohlenstoffnanoröhren in die Kavitäten metallischer Dimere gelang uns per dielektrophoretischer Abscheidung der Nanoröhren auf die Nanostrukturen. Dieses von uns entwickelte Verfahren stellt in einer verallgemeinerten Form eine neuartige Methode zur Verknüpfung von Kohlenstoffnanoröhren mit plasmonische Systeme dar.

Die in dieser Doktorarbeit entwickelten experimentellen und konzeptionellen Methodiken zur Kopplung von Graphen und Kohlenstoffnanoröhren an plasmonische Strukturen werden es in der Zukunft ermöglichen, die fundamentalen Grundlagen plasmonisch-verstärkter Ramanstreuung zu ergründen.
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PDF-Datei von FUDISS_thesis_000000099347
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Number of pagesVIII, 74 S.
FU DepartmentDepartment of Physics
Year of publication2015
Document typeDoctoral thesis
Media type/FormatText
LanguageEnglish
Terms of use/Rights Nutzungsbedingungen
Date of defense2015-05-08
Created at2015-05-21 : 05:58:32
Last changed2015-05-29 : 10:57:30
 
Static URLhttp://edocs.fu-berlin.de/diss/receive/FUDISS_thesis_000000099347
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