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.

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.

Hyper-Raman-Streuung folgt anderen Symmetrieauswahlregeln als Raman-Streuung und profitiert als nicht-linearer Zweiphotonenprozess noch mehr von verstärkten elektromagnetischen Feldern an der Oberfläche plasmonischer Nanostrukturen. Damit könnte die oberflächenverstärkte Hyper-Raman-Streuung (SEHRS) praktische Bedeutung in der Spektroskopie erlangen. Durch die Kombination von SEHRS und oberflächenverstärkter Raman-Streuung (SERS) können komplementäre Strukturinformationen erhalten werden. Diese eignen sich aufgrund der Lokalisierung der Verstärkung auf die unmittelbare Umgebung der Nanostrukturen besonders für die Charakterisierung der Wechselwirkung zwischen Molekülen und Metalloberflächen. Ziel dieser Arbeit war es, ein tieferes Verständnis des SEHRS-Effekts zu erlangen und dessen Anwendbarkeit für analytische Fragestellungen einzuschätzen. Dazu wurden SEHRS-Experimente mit Anregung bei 1064 nm und SERS-Experimente mit Anregung bei derselben Wellenlänge sowie mit Anregung bei 532 nm - für eine Detektion von SEHRS und SERS im gleichen Spektralbereich - durchgeführt. Als Beispiel für nicht-resonante Anregung wurden die vom pH-Wert abhängigen SEHRS- und SERS-Spektren von para-Mercaptobenzoesäure untersucht. Mit diesen Spektren wurde die Wechselwirkung verschiedener Silbernanostrukturen mit den Molekülen charakterisiert. Anhand von beta-Carotin wurden Einflüsse von Resonanzverstärkung im SEHRS-Experiment durch die gleichzeitige Anregung eines molekularen elektronischen Übergangs untersucht. Dabei wurde durch eine Thiolfunktionalisierung des Carotins eine intensivere Wechselwirkung mit der Silberoberfläche erzielt, sodass nicht nur resonante SEHRS- und SERS-Spektren, sondern auch nicht-resonante SERS-Spektren von Carotin erhalten werden konnten. Die Anwendbarkeit von SEHRS für hyperspektrale Kartierung in Verbindung mit Mikrospektroskopie wurde durch die Untersuchung von Verteilungen verschiedener Farbstoffe auf strukturierten plasmonischen Oberflächen demonstriert. / Hyper-Raman scattering follows different symmetry selection rules than Raman scattering and, as a non-linear two-photon process, profits even more than Raman scattering from enhanced electromagnetic fields at the surface of plasmonic nanostructures. Surface-enhanced hyper-Raman scattering (SEHRS) could thus gain practical importance for spectroscopy. The combination of SEHRS and surface-enhanced Raman scattering (SERS) offers complementary structural information. Specifically, due to the localization of the enhancement to the close proximity of the nanostructures, this information can be utilized for the characterization of the interaction between molecules and metal surfaces. The aim of this work was to increase the understanding of the SEHRS effect and to assess its applicability to answer analytical questions. For that purpose, SEHRS experiments with excitation at 1064 nm and SERS experiments with excitation at the same wavelength, as well as with excitation at 532 nm - to detect SEHRS and SERS in the same spectral region - were conducted. As an example for non-resonant excitation, pH-dependent SEHRS and SERS spectra of para-mercaptobenzoic acid were examined. Based on these spectra, the interaction of different silver nanostructures with the molecules was characterized. beta-Carotene was used to study the influence of resonance enhancement by the excitation of a molecular electronic transition during SEHRS experiments. By the thiol-functionalization of carotene, a more intense interaction with the silver surface was achieved, which enables to obtain not only resonant SEHRS and SERS but also non-resonant SERS spectra of carotene. Hyperspectral SEHRS imaging in combination with microspectroscopy was demonstrated by analyzing the distribution of different dyes on structured plasmonic surfaces.