In der vorliegenden Dissertation werden verschiedene plasmonisch aktive Kern/Schale- Nanopartikel synthetisiert, experimentell und theoretisch charakterisiert und in analytischen Anwendungen der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (engl. surface-enhanced Raman scattering, SERS) eingesetzt. Es werden die optischen Eigenschaften von Gold/Silber-Nanoschalen mit durchstimmbaren Plasmonbanden behandelt. Motivation dafür ist die Frage nach optimalen SERS-Markern für die rote Laseranregung (λ = 632.8 nm). In SERS-Anwendungen gibt es die Möglichkeit mehrere Marker-Moleküle auf die Oberfläche der Nanopartikel aufzubringen, um so eine erhöhte Multiplexing-Kapazität zu generieren. Diese Option der gemischten Monolagen wird in der vorliegenden Arbeit untersucht. Es werden SERS-Marker-Konzepte für die rote Laseranregung basierend auf einzelnen Nanopartikeln gezeigt. Außerdem wird dargestellt, inwieweit sich durch die Anordnung von Nanopartikeln in allen drei Raumdimensionen neue SERS-Marker- Konzepte mit sehr guten plasmonischen Eigenschaften realisieren lassen. In den oben beschriebenen Kapiteln übernehmen Nanopartikel die Rolle des SERS-Substrats für den selektiven Nachweis eines bestimmten Zielmoleküls (z.B. Antigens). Neben diesen Anwendungen können Nanopartikel jedoch auch noch als SERS-Substrat für die markierungsfreie Detektion von Analytmolekülen eingesetzt werden. In dieser Dissertation wird die Herstellung, Charakterisierung und der Einsatz eines integrierten SERS-Substrats für die kombinierte Festphasensynthese und Analytik mittels plamonisch aktiver Gold/Glas-Kern/Schale-Nanopartikel auf Harz-Mikrokugeln behandelt.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von weitbandlückigen Halbleitern mittels Raman-Spektroskopie. Diese wurde vorwiegend unter Verwendung von Licht einer Wellenlänge von 325 nm im ultravioletten Spektralbereich angeregt. Damit konnten zum einen aufgrund eines erhöhten Streuquerschnittes Messungen zur Probencharakterisierung durchgeführt werden, die mit Anregung im sichtbaren Spektralbereich nicht möglich gewesen wären. Zum anderen wurden bei dieser Anregungswellenlänge auftretende Resonanzeffekte untersucht. Dabei werden zwei verschiedene Materialsysteme behandelt: zum einen Kristalle mit Wurtzitstruktur und zum anderen binäre und ternäre Sesquioxide mit Metallionen der III. Hauptgruppe. An den Kristallen mit Wurtzitstruktur wurde die Streuung des Anregungslichts mit Energie oberhalb der Bandlücke an longitudinal-optischen (LO) Phononen untersucht. Die Streuung an einzelnen LO-Phononen wird unter diesen Anregungsbedingungen von einem Prozess dominiert, der eine elastische Streuung beinhaltet, durch die die Impulserhaltung verletzt wird. Es wurde ein Modell aufgestellt, dass zwischen einer elastischen Streuung an der Oberfläche und an Punktdefekten unterscheidet, und mit Hilfe von Experimenten verifiziert. Weiterhin wurde der Einfluss von Ladungsträgern auf die Energie der LO-Phononen untersucht und es wird eine Anwendung dieser Erkenntnisse zur Charakterisierung der Oberfläche von Zinkoxid vorgestellt. An den binären Oxiden des Galliums und Indiums wurden die Energien der Phononenmoden ermittelt und die resonante Verstärkung bei der verwendeten Anregungswellenlänge untersucht. Für das Galliumoxid wurde dabei insbesondere die Anisotropie des Materials berücksichtigt. Für das Indiumoxid wird dargestellt, dass durch die resonante Anregung alle Phononenmoden beobachtet werden können, was insbesondere auch die Bestimmung der Phononenmoden von Dünnschichtproben ermöglicht. Weiterhin waren Mischkristalle des Galliumoxids Untersuchungsgegenstand, in denen das Gallium teilweise durch Indium oder Aluminium ersetzt wurde. Die Phononenenergien wurden in Abhängigkeit der Zusammensetzung ermittelt und der Einfluss von strukturellen Eigenschaften darauf sowie das Auftreten von Phasenübergängen untersucht.

Ziel dieser Arbeit ist es, das Verständnis der durch plasmonische und Komposit-Nanomaterialien verursachten Verstärkung der Hyper-Raman Streuung zu vertiefen. Diese Nanostrukturen werden in oberflächenverstärkten Hyper-Raman-Streuung (surface enhanced hyper Raman scattering, SEHRS) Experimenten, die durch den nichtlinearen parametrischen Prozess der Frequenzverdopplung (SHG) und der oberflächenverstärkten Raman-Streuung (SERS) ergänzt werden, zur umfassenden Untersuchung organischer Moleküle und Materialien angewendet. Die SEHRS-Verstärkung von Goldnanopartikeln unterschiedlicher Form und Größe sowie von Metallfilmen bestehend aus periodisch angeordneten Hohlräumen (Nanovoids) wurde in Experimenten mit dem Farbstoff Kristallviolett bei einer Anregungswellenlänge von 1064 nm und durch numerische Simulationen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass Aggregate von großen kugelförmigen Goldnanopartikeln und Nanostäbchen in Lösung eine sehr hohe elektromagnetische SEHRS-Verstärkung bewirken. Darüber hinaus können die Homogenität des Signals, die Reproduzierbarkeit in Bezug auf die Herstellung und die Substratstabilität im Vergleich zu früheren Ansätzen durch Verwendung von Nanovoids signifikant verbessert werden. Die Weiterentwicklung von Nanostrukturen für die multimodale Mehrphotonen-Spektroskopie ist hier anhand der Synthese und der optischen Charakterisierung von plasmonischen Bariumtitanat-Nanokompositen demonstriert. Eine systematische Studie der Wechselwirkung von Aminosäuren und aromatischen Thiolen mit Gold- und Silbernanopartikeln wurde mit SEHRS bei einer Anregungswellenlänge von 1064 nm und mit SERS bei Anregungswellenlängen im sichtbaren Spektralbereich durchgeführt. Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass ein tieferes Verständnis und ein rationales Design verbesserter plasmonischer Nanostrukturen ermöglichen, SEHRS mit anderen Mehrphotonen-angeregten Effekten zu kombinieren und diese in der analytischen Chemie und Biophysik einzusetzen. / The aim of this work is to extend the understanding of the enhancement in surface enhanced hyper Raman scattering (SEHRS) generated by plasmonic and composite nanomaterials, and to apply these nanostructures in SEHRS experiments complemented by the non-linear parametric process of second harmonic generation (SHG) and by surface enhanced Raman scattering (SERS), for the comprehensive probing of organic molecules and materials. The enhancement from gold nanoparticles with different sizes and shapes as well as from metal films comprised of periodically arranged voids was investigated in SEHRS experiments at 1064 nm excitation using the crystal violet dye and by numerical simulations. The results indicate that aggregates of large spherical gold nanoparticles and nanorods in solution provide very strong electromagnetic enhancement of HRS. Moreover, the homogeneity of the signal, reproducibility in terms of fabrication, and substrate stability can be significantly improved compared to previous approaches by using nanovoid arrays. Further developments of enhancing nanostructures towards multimodal multiphoton spectroscopic applications are demonstrated here by the synthesis and optical characterization of plasmonic-barium titanate nanocomposites. A systematic study on the interaction of amino acids and aromatic thiols with gold and silver nanoparticles was conducted with 1064 nm-excited SEHRS and SERS excited in the visible spectral range. In conclusion, this work underlines that a better understanding and a rational design of improved plasmonic nanostructures allow to combine SEHRS and other multiphoton excited effects, and to use them in analytical chemistry and biophysics.

Recently developed two-dimensional colloidal semiconductor nanocrystals, or nanoplatelets (NPLs), extend the palette of solution-processable free-standing 2D nanomaterials of high performance. Growing CdSe and CdS parts subsequently in either side-by-side or stacked manner results in core–crown or core/shell structures, respectively. Both kinds of heterogeneous NPLs find efficient applications and represent interesting materials to study the electronic and lattice excitations and interaction between them under strong one-directional confinement. Here, we investigated by Raman and infrared spectroscopy the phonon spectra and electron–phonon coupling in CdSe/CdS core/shell and core–crown NPLs. A number of distinct spectral features of the two NPL morphologies are observed, which are further modified by tuning the laser excitation energy Eexc between in- and off-resonant conditions. The general difference is the larger number of phonon modes in core/shell NPLs and their spectral shifts with increasing shell thickness, as well as with Eexc. This behaviour is explained by strong mutual influence of the core and shell and formation of combined phonon modes. In the core–crown structure, the CdSe and CdS modes preserve more independent behaviour with only interface modes forming the phonon overtones with phonons of the core. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von weitbandlückigen Halbleitern mittels Raman-Spektroskopie. Diese wurde vorwiegend unter Verwendung von Licht einer Wellenlänge von 325 nm im ultravioletten Spektralbereich angeregt. Damit konnten zum einen aufgrund eines erhöhten Streuquerschnittes Messungen zur Probencharakterisierung durchgeführt werden, die mit Anregung im sichtbaren Spektralbereich nicht möglich gewesen wären. Zum anderen wurden bei dieser Anregungswellenlänge auftretende Resonanzeffekte untersucht. Dabei werden zwei verschiedene Materialsysteme behandelt: zum einen Kristalle mit Wurtzitstruktur und zum anderen binäre und ternäre Sesquioxide mit Metallionen der III. Hauptgruppe. An den Kristallen mit Wurtzitstruktur wurde die Streuung des Anregungslichts mit Energie oberhalb der Bandlücke an longitudinal-optischen (LO) Phononen untersucht. Die Streuung an einzelnen LO-Phononen wird unter diesen Anregungsbedingungen von einem Prozess dominiert, der eine elastische Streuung beinhaltet, durch die die Impulserhaltung verletzt wird. Es wurde ein Modell aufgestellt, dass zwischen einer elastischen Streuung an der Oberfläche und an Punktdefekten unterscheidet, und mit Hilfe von Experimenten verifiziert. Weiterhin wurde der Einfluss von Ladungsträgern auf die Energie der LO-Phononen untersucht und es wird eine Anwendung dieser Erkenntnisse zur Charakterisierung der Oberfläche von Zinkoxid vorgestellt. An den binären Oxiden des Galliums und Indiums wurden die Energien der Phononenmoden ermittelt und die resonante Verstärkung bei der verwendeten Anregungswellenlänge untersucht. Für das Galliumoxid wurde dabei insbesondere die Anisotropie des Materials berücksichtigt. Für das Indiumoxid wird dargestellt, dass durch die resonante Anregung alle Phononenmoden beobachtet werden können, was insbesondere auch die Bestimmung der Phononenmoden von Dünnschichtproben ermöglicht. Weiterhin waren Mischkristalle des Galliumoxids Untersuchungsgegenstand, in denen das Gallium teilweise durch Indium oder Aluminium ersetzt wurde. Die Phononenenergien wurden in Abhängigkeit der Zusammensetzung ermittelt und der Einfluss von strukturellen Eigenschaften darauf sowie das Auftreten von Phasenübergängen untersucht.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung einzelner Edelmetallnanopartikel-Cluster für die oberflächenverstärkte Raman-Streuung (engl. surface-enhanced Raman scattering; SERS). In Clustern treten stark lokalisierte Regionen mit sehr hohen Feldverstärkungen auf (engl. hot spots), die den SERS-Effekt extrem verstärken. In der Regel werden Metallnanopartikel in kolloidaler Suspension untersucht, so dass nur Aussagen über das gesamte Kolloid und nicht über einzelne Cluster getroffen werden können. Für die Identifizierung von Struktur-Eigenschafts-Korrelationen wurden in dieser Arbeit daher einzelne Cluster optisch und elektronenmikroskopisch charakterisiert. Der erste Teil der vorliegenden Arbeit beschreibt neue Ansätze zur Trennung von glasverkapselten SERS-Nanopartikel-Clustern mit Hilfe der Dichtegradientenzentrifugation sowie die Etablierung einer modifizierten Synthesevorschrift zur Herstellung von monodispersen Silbernanopartikeln. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der optischen Charakterisierung einzelner SERS-Cluster und den dafür notwendigen experimentellen Umbauten eines bestehenden Versuchsaufbaus. Anschließend wird die oberflächenverstärkte Raman-Streuung von SERS-Clustern in Abhängigkeit der Polarisation gemessen und die lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz (engl. localized surface plasmon resonance; LSPR) von Nano- und Mikrostrukturen bestimmt.

Als Aerosol bezeichnet man ein Ensemble aus festen oder flüssigen Partikeln, getragen von einem gasförmigen Medium. Zur Untersuchung von einzelnen über längere Zeit berührungsfrei gespeicherten Modellaerosolpartikeln wurde ein Experiment aufgebaut und charakterisiert. Eine elektrodynamische Falle nach Paul dient zur berührungsfreien Speicherung. In verschiedenen Rezipienten können Umweltparameter, wie die Temperatur, der Druck und die Gaszusammensetzung kontrolliert werden. Mit Hilfe der elastischen Mie-Streung und der inelastischen Raman-Streuung monochromatischen Lichts wird auf die Zusammensetzung, die Größe und den Brechungsindex in situ rückgeschlossen. Eine Computer-basierte Mess- und Regelungstechnik ermöglicht Prozessstudien mit Messdauern von einigen Sekunden bis zu mehreren Tagen, in denen die Änderung oben genannter Partikeleigenschaften unter Vorgabe bestimmter Umweltparameter beobachtet werden können. Zur Abschätzung der Größe von sphärischen und kristallinen Partikeln wurde eine Methode entwickelt, die die Musteranalyse des Streulichtfernfelds mit Hilfe der räumlichen Fourier-Transformation als Grundlage hat.Schnelle Prozesse, wie z.B. die Bewegung des Teilchens in der Falle oder Phasenübergänge von gespeicherten Partikeln, können mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgenommen und mit Musteranalyseverfahren charakterisiert werden.Schließlich wird die chemische Totalanalyse von einzelnen Partikeln unter Anwendung eines time-of-flight-Massenspektrometers beschrieben. Einzelne Partikel werden dazu mit Hilfe eines Transfersystems aus der Speicherumgebung in das Massenspektrometer überführt und anschließend ex situ analysiert.

Recently developed two-dimensional colloidal semiconductor nanocrystals, or nanoplatelets (NPLs), extend the palette of solution-processable free-standing 2D nanomaterials of high performance. Growing CdSe and CdS parts subsequently in either side-by-side or stacked manner results in core–crown or core/shell structures, respectively. Both kinds of heterogeneous NPLs find efficient applications and represent interesting materials to study the electronic and lattice excitations and interaction between them under strong one-directional confinement. Here, we investigated by Raman and infrared spectroscopy the phonon spectra and electron–phonon coupling in CdSe/CdS core/shell and core–crown NPLs. A number of distinct spectral features of the two NPL morphologies are observed, which are further modified by tuning the laser excitation energy Eexc between in- and off-resonant conditions. The general difference is the larger number of phonon modes in core/shell NPLs and their spectral shifts with increasing shell thickness, as well as with Eexc. This behaviour is explained by strong mutual influence of the core and shell and formation of combined phonon modes. In the core–crown structure, the CdSe and CdS modes preserve more independent behaviour with only interface modes forming the phonon overtones with phonons of the core. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Die zentrale wissenschaftliche Fragestellung dieser Arbeit ist die Bewertung von anwendungsorientierten (100) β-Ga2O3 Czochralski (Cz) gewachsenen Bulk-Kristallen und mit metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) gewachsenen homoepitaktischen Schichten. Zur Charakterisierung der Kristalle wurden elektrische und optische Charakterisierungsmethoden angewandt. Die Ergebnisse der Untersuchungen lassen sich wie folgt zusammenfassen: Das Wachstum der Bulk-Kristalle erfolgt bevorzugt nach der Cz-Methode bei Temperaturen um 1800°C. Bei einer so hohen Temperatur ist der unbeabsichtigte Einbau von Verunreinigungen in den Kristall unvermeidlich, insbesondere von dem Übergangsmetall Iridium (Ir) aus den Ir-Tiegeln. In diesem Zusammenhang wurde resonante elektronischer Raman-Streuung (ERS) untersucht, die von Ir4+-Ionen in β-Ga2O3 aus der Cz-Züchtung stammt. Der beobachtete ERS-Peak bei 5150 cm-1 wird einem internen Übergang innerhalb des gespaltenen 2T2g-Grundzustands der Ir4+-Ionen zugeschrieben. Die optischen und elektrischen Eigenschaften von 3d-TM Co und Ni in β-Ga2O3 wurden experimentell und theoretisch untersucht. Optische Absorptionsspektroskopie, Messungen der Photoleitfähigkeit und Berechnungen der Ladungszustandsübergangsniveaus auf der Grundlage der Dichtefunktionaltheorie wurden kombiniert. Ein (+/0)-Donor-Niveau ~ 0,7 eV, ~ 1,3 eV oberhalb des Valenzband-Maximums und ein (0/-)-Akzeptor-Niveau ~ 2 eV, ~ 2,8 eV unterhalb des Leitungsband-Minimums wurden konsistent für Co- bzw. Ni-dotierte Kristalle abgeleitet. Aufgrund der mittleren Bandlückenposition des Akzeptorniveaus und des daraus resultierenden höheren extrapolierten Widerstandes bei Raumtemperatur schlagen wir vor, dass Co und Ni geeignete Kandidaten für die Kompensationsdotierung von halbisolierenden β-Ga2O3-Bulkkristallen sind. / The core scientific question of this thesis is the evaluation of device-related (100) β-Ga2O3 Czochralski (Cz) grown bulk crystals and metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE)-grown homoepitaxial layers. Electrical and optical characterization methods were applied to characterize the crystals. The findings of the investigations can be summarized as follows: The growth of the bulk crystals is preferentially performed by the Cz method at temperatures around 1800°C. At such a high temperature, the unintentional incorporation of impurities into the crystal is inevitable, especially transition metal iridium (Ir) from the Ir crucibles. In this respect, the observation of resonant electronic Raman scattering (ERS) originating from Ir4+ ions in bulk β-Ga2O3 grown by the Cz method was studied. The observed ERS peak at 5150 cm-1 is attributed to an internal transition within the split 2T2g ground state of Ir4+ ions. The optical and electrical properties of the 3d-TM Co and Ni in bulk β-Ga2O3 were experimentally and theoretically investigated. Optical absorption spectroscopy, photoconductivity measurements, and charge-state transition-level calculations based on density functional theory were combined. A (+/0) donor level ~ 0.7 eV, ~ 1.3 eV above the valence band maximum, and a (0/–) acceptor level ~ 2 eV, ~ 2.8 eV below the conduction band minimum are consistently derived for Co- and Ni- doped crystals, respectively. Based on the mid-band gap position of the acceptor level and the resulting higher extrapolated resistivity at room temperature, we propose Co and Ni are suitable candidates for compensation doping of semi-insulating β-Ga2O3 bulk crystal.

Im ersten Teil der Arbeit werden Signalverstärkungsmechanismen für Raman-Spektroskopie erschlossen und evaluiert. Die als geeignet bewerteten Methoden finden im zweiten Teil ihre Anwendung zur Untersuchung der vibronischen Eigenschaften von dünnen Manganphthalocyaninschichten, die anschließend mit Kalium interkaliert werden. Hierbei sind verschiedene Phasen identifizierbar, die ein ganzzahliges Verhältnis von Kaliumatomen zu Manganphthalocyaninmolekülen besitzen. Im dritten Teil werden die elektrischen Eigenschaften durch die Verwendung dieses Materialsystems als aktives Medium eines Feldeffekttransistors untersucht.