Hybride Nanostrukturen verbinden die Vorzüge von individuellen Materialien, die neue Eigenschaften hervorrufen können. In dieser Arbeit wurden verschiedene Metal Nanostrukturen synthetisiert und deren optische Eigenschaften analysiert. Die Herstellung eines Spasers oder Lichteinfang in Solarzellen wurde untersucht. Der Einfluß von Größe, Form und Brechungsindex auf die Metal-Plasmonen wurde erforscht. Die gewonnen Erkenntnisse genutzt um Metal Nanopartikel mit gezielten Eigenschaften herzustellen. Hybride Gold Nanostrukturen (funktionalisiert mit Farbstoffen oder Quantenpunkten) wurden hergestellt und Energie-Transfereffekte untersucht. Diese hybriden Nanostrukturen wurden optisch gepumpt um Spasing zu erreichen. Allerdings wurde festgestellt, dass eine unrealistisch hohe Verstärkung benötigen wird, um die charakteristischen Verluste im Metal zu überwinden. Silber und Gold Nanopartikel wurden synthetisiert um diese in Dünnschichtsolarzellen einzusetzen. Es konnte gezeigt werden, dass Silber chemisch instabil ist und, wenn oxidiert, hohe Absorption auftritt. Durch hohe Temperaturen konnte die Oxidschicht auf den Silberpartikeln reduziert werden und damit auch die Verluste. Stabilere Gold Partikel wurden in Perovskit-Solarzellen eingebaut, wodurch die Effizienz einer solch modifizierten Solarzelle um ~40% gesteigert werden konnte. Dies wurde durch eine erhöhte Anzahl an generierten Ladungsträgern mittels metallischen Lichtfallen erreicht. Zusätzlich wurden anisotrope Janus Trägerpartikel synthetisiert und mit Metal Nano-partikeln funktionalisiert. Gold Nanopartikel wurden abgeschieden und zu einer Gold Hülle gewachsen. Dies erfolgte entweder gleichförmig über das gesamte Hantel-Trägerpartikel oder einseitig unter Ausnutzung der chemischen Anisotropie. Desweiteren wurden Platin Nano-partikel einseitig abgeschieden und in Wasserstoffperoxid Lösung gegeben. Die Partikel wurden daraufhin mittels dynamischer Lichtstreuung auf Selbstvortrieb untersucht. / Hybrid nanostructures combine the assets of the individual materials with a vast amount of new properties. In this work various metal nanoparticles have been synthesized and investigated on their optical properties. The synthesized metal nanoparticles have been implemented for potential applications, e.g. fabrication of a spaser or in solar cells. At first, the size, shape and refractive index effects of gold and silver nanoparticles have been investigated. The insight gained helps to optimize the synthesis of metal nanoparticles with specific optical properties needed for further applications. Optimized hybrid gold nanostructures have been synthesized and functionalized with dye molecules or quantum dots to investigate energy transfer effects. These hybrid structures have been optically pumped to achieve spasing. However, comparison with a theory showed that such metal nanostructures need unrealistic high gain to overcome the inherent losses and achieve spasing. Silver and gold nanoparticles have been synthesized for applications in thin film solar cells. It has been shown that silver lacks chemical stability and thus, if oxidized, the nanoparticles exhibit weak scattering and strong Ohmic losses. The oxide layer of silver nano-spheres could be via annealing. By contrast, gold nanoparticles, known for their higher stability, have been implemented in a perovskite solar cell. Such a modified solar cell showed an increase in efficiency by ~40% through increased generation of carriers. Anisotropic Janus carrier systems have been synthesized and functionalized with metal nanoparticles. Gold nanoparticles have been deposited either uniformly or on one lobe only of the dumbbell-shaped carrier system by using its chemical anisotropy. These gold nano¬particles have been grown to a gold shell. Platinum nanoparticles have been deposited on a single lobe and its self-propelling ability in a chemical fuel was investigated by means of dynamic light scattering.

Diese Arbeit präsentiert eine vollständige quantenmechanische Beschreibung eines Systems bestehend aus einem Molekül und einem metallischem Nanopartikel (MNP) in der Gegenwart eines Strahlungsfeldes. Zuerst wird ein System aus einem Molekül und einem Gold-MNP betrachtet. Das Emissionsund Absorptionsspektrum zeigt viele scharfe molekulare Schwingungssatelliten auf einem breiten Plasmonmaximum. Eine Verstärkung der Schwingungssatelliten um drei Größenordnungen ist auf effiziente Absorption und Emission durch die MNP zurückzuführen. Dann wird ein System aus einer molekularen Kette mit einem Gold-MNP untersucht. Alle zuvor genannten Phänomene treten auch hier auf, jedoch werden die Schwingungssatelliten durch das Exzitonenband der molekularen Kette ersetzt. Anschließend wird ein Nano-Laser aus vielen Molekülen und einem Gold-MNP betrachtet. Die Moleküle werden durch inkohärentes optisches Pumpen angeregt. Dabei wird eine starke Plasmonanregung durch die gemeinsame Kopplung an die Moleküle erreicht. Die Photonenemission des Lasers zeigt, dass die Intensität ansteigt, während die Linienbreite schmaler wird. Die Korrelationsfunktion in zweiter Ordnung für die Photonen in Verbindung mit der schmaler Emission könnte dabei sogar einen Hinweis auf Lasing geben. Zuletzt wird eine Nanoverbindung aus einem Molekül und zwei sphärischen metallischen Elektroden betrachtet. Das Molekül wird durch den sequentiellen Ladungstransfer angeregt. Durch die Kopplung an die Moleküle werden die Elektrodenplasmonen angeregt. Die Photonenemission der Verbindung zeigt, dass die scharfen molekularen Schwingungssatelliten um das Tausendfache verstärkt werden. Anschließend ist ein System aus zwei pyramidalen Elektroden, die seitlich von zwei Gold-MNP eingeschlossen werden, untersucht. Hier können die Schwingungssatelliten einzeln verstärkt werden, indem der Abstand zwischen den MNP variiert wird. Wir zeigen auch, dass das Lasing in einer Verbindung aus vielen Molekülen theoretisch möglich ist. / This thesis presents a unified quantum description of the combined molecule-metal nano-particle system in the presence of a radiation field. Firstly, a single molecule coupled to a gold nano-sphere is investigated. The emission and absorption spectrum show many sharp molecular vibrational satellites over one broad plasmon peak. The three orders of magnitude enhancement of the vibrational satellites is due to the great ability of the sphere to absorb and emit photons. Secondly, a molecular chain coupled to a gold nano-sphere is investigated. All the phenomena mentioned above appear also for such system, except that the vibrational satellites are replaced by the Frenkel exciton band of the molecular chain. Thirdly, a plasmonic nano-laser consisting of many dye molecules and a gold nano-sphere is considered. The molecules are initially excited by incoherent optical pump. The strong plasmon excitation of the sphere is achieved due to the concerted coupling with the molecules. The emission of the laser shows that the intensity is enlarged while the line-width is reduced. The second-order correlation function of photons together with the emission narrowing can be utilized to determine lasing operation. Finally, a nano-junction formed by a molecule and two spherical metallic leads is investigated. The molecule is excited through sequential electron transfer. The lead plasmons get excited due to the coupling with the excited molecule. The emission of the junction shows that the molecular vibrational satellites are about one thousand times enhanced by the lead plasmons. Then, a junction with two pyramidal metallic leads sandwiched by two gold nano-spheres is investigated. The simulations show that the molecular vibrational satellites can be selectively enhanced by varying the inter-sphere distance. It is also proved that the lasing can be realized by a junction with many molecules.

Diese Arbeit ist der theoretische Untersuchung nichtlinearer optischer Prozesse in metall-dielektrischen Medien gewidmet, wobei Möglichkeiten zur Ausnutzung der erhöhten nichtlinearen Koeffizienten und der Feldüberhöhung durch metallische Nanoteilchen untersucht wurden. Die wichtigsten Ergebnisse beziehen sich auf eine Untersuchung der zeitabhängigen sättigbaren Absorption in Gläsern, die mit metallischen Nanoteilchen dotiert sind, ihrer physikalischen Ursache sowie verschiedener Anwendungen in der nichtlinearen Optik. Zur Untersuchung der Zeitabhängigkeit der nichtlinearen Rückwirkung wird unter Verwendung des semi-klassischen Zwei-Temperatur-Modells eine zeitabhängige Gleichung für die nichtlineare dielektrische Funktion der Metalle hergeleitet. Die Ergebnisse zeigen, dass solche Gläser, sich als sehr effiziente sättigbare Absorber im Spektralbereich vom sichtbaren bis nahen IR eignen. Für kurzwellige Laser im blau/violetten Spektralbereich wird die Dynamik der Modenkopplung in Festkörper- und Halbleiter-Scheibenlaser untersucht. Weiterhin wird ein neuer Mechanismus für die Realisierung von langsamem Licht vorgeschlagen und im Detail untersucht, der in solchen dotierten Gläsern in einem Pump-Probe Regime infolge der sättigbaren Absorption in der Nähe der Plasmonresonanz realisierbar ist. Weiterhin untersuchten wir die Möglichkeit einer Femtosekunden Plasmon Impulserzeugung durch Modenkopplung eines Oberflächen Plasmonlasers mit einem Bragg Resonator, der aus einer dünnen Schicht aus Silber sowie einem sättigbaren Absorbers und einem Verstärker besteht. Im letzten Teil der Arbeit werden Ergebnisse zur Erzeugung hoher Harmonischer in Edelgasen in der Nähe einer metallischen fraktalen rauen Oberfläche untersucht. Die Berechnungen zeigen eine Reduzierung der geforderten Intensität um drei Größenordnungen und eine um zwei Größenordnungen erhöhte Effizienz gegenüber der bisher experimentell realisierten HHG in der Nähe von metallischen "bow-tie"Nanostrukturen. / This work reports results of a theoretical study of nonlinear optical processes in metal-dielectric nanocomposites used for the increase of the nonlinear coefficients and for plasmonic field enhancement. The main results include the study of the transient saturable nonlinearity in dielectric composites doped with metal nanoparticles, its physical mechanism as well its applications in nonlinear optics. For the study of the transient response, a time-depending equation for the dielectric function of the nanocomposite using the semi-classical two-temperature model is derived. By using this approach, we study the transient nonlinear characteristics of these materials in comparison with preceding experimental measurements. The results show that these materials behave as efficient saturable absorbers for passive mode-locking of lasers in the spectral range from the visible to near IR. We present results for the modelocked dynamics in short-wavelength solid-state and semiconductor disk lasers; in this spectral range other efficient saturable absorbers do not exist. We suggest a new mechanism for the realization of slow light phenomenon by using glasses doped with metal nanoparticles in a pump-probe regime near the plasmonic resonance. Furthermore, we study femtosecond plasmon generation by mode-locked surface plasmon polariton lasers with Bragg reflectors and metal-gain-absorber layered structures. In the final part of the thesis, we present results for high-order harmonic generation near a metallic fractal rough surface. The results show a possible reduction of the pump intensities by three orders of magnitudes and two orders of magnitudes higher efficiency compared with preceding experimental results by using bow-tie nanostructures.

Systeme aus konjugierten Molekülen und Graphenen bergen hohes Potential für Anwendungen. Die Untersuchung ihrer Wechselwirkungsmechanismen ist wichtig für die Entwicklung neuer Anwendungen und Fokus dieser Arbeit: Optische Mikroskopie, Spektroskopie und Rasterkraftmikroskopie werden komplementär verwendet, um die optischen und strukturellen Eigenschaften solcher Systeme zu erforschen. Insbesondere werden (i) die Permeationsbarriere-Eigenschaften von Graphen in-situ auf einem halbleitenden Polymerfilm quantifiziert. Weiterhin werden (ii) die Fluoreszenz- und (iii) Raman-Emission von konjugierten Molekülen in der Nähe von Graphen untersucht und die entsprechenden Kopplungsmechanismen diskutiert. (i) Graphene zeigen sich als effizienter Schutz des empfindlichen Polymers [Poly(3-hexylthiophen)] vor Degeneration durch Sauerstoff und Wasser aus der Umgebungsluft. Dies legt nahe, dass Graphene nicht nur als transparente Elektrode, sondern gleichzeitig als Barriereschicht in künftigen optoelektronischen Bauelementen dienen können. (ii) Es wird gezeigt, dass die bekannten optischen Eigenschaften von Graphen die Existenz stark lokalisierter Graphen-Plasmonen im Sichtbaren implizieren. Durch Verwendung von nanoskaligen Emittern [Rhodamin 6G (R6G)], welche die für effiziente Anregung von Graphen-Plasmonen im optischen Frequenzbereich notwendigen großen Wellenvektor bereitstellen, wird Graphen-Plasmonen-induzierte (GPI) Fluoreszenz-Anregungsverstärkung von nahezu 3 Größenordnungen nachgewiesen. Demnach ist Graphen für plasmonische Bauelemente im Sichtbaren interessant. (iii) Außerdem wird GPI Verstärkung des Raman-Querschnittes von R6G um 1 Größenordnung nachgewiesen. Zukünftige Entwicklung von Antennen für zusätzliche direkte Anregung von Graphen-Plasmonen aus dem Fernfeld macht Graphen vielversprechend für leistungsfähige oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie. Zusammenfassend wurden neue und anwendungsrelevante Einblicke in die analysierten Systeme gewonnen. / Systems of conjugated molecules and graphenes bear high application potential. The investigation of their interaction mechanisms is important for design of new applications and the focus of this thesis: Optical microscopy, spectroscopy and scanning force microscopy are complementarily used to explore the optical and structural properties of such systems. In particular (i) the permeation barrier properties of graphene are quantified in-situ on a semiconducting polymer film. Furthermore (ii) the fluorescence and (iii) Raman emission of conjugated molecules in proximity to graphene are investigated and the respective coupling mechanisms are discussed. (i) Graphenes are found to efficiently protect the sensitive polymer [poly(3-hexylthiophene)] from degradation by oxygen and water from the ambient atmosphere. This suggests that graphenes can not only serve as transparent electrode, but simultaneously as a barrier layer in future optoelectronic devices. (ii) It is shown that the known optical properties of graphene imply the existence of strongly localized graphene plasmons in the visible. Using nanoscale emitters [rhodamine 6G (R6G)] that provide the high wave vectors necessary to efficiently excite graphene plasmons at optical frequencies, graphene plasmon induced (GPI) fluorescence excitation enhancement by nearly 3 orders of magnitude is demonstrated. Graphene is thus interesting for plasmonic devices in the visible. (iii) In addition GPI enhancement of the Raman cross section of R6G by 1 order of magnitude is demonstrated. The future design of antennas for additional direct farfield excitation of graphene plasmons makes graphene promising for powerful surface enhanced Raman spectroscopy. In summary new and application relevant insights were gained into the studied systems.

Gegenstand der vorliegenden Dissertation ist die Untersuchung von einzelnen nano- und mikrometergroßen Partikeln, zum Verständnis und zur Entwicklung von neuartigen nanooptischen Elementen, wie Lichtquellen und Sensoren, sowie Strukturen zum Aufsammeln und Leiten von Licht. Neben der Charakterisierung stehen dabei verschiedene Methoden zur elektromagnetischen Manipulation im Vordergrund, die auf eine Kontrolle der Position oder der Geometrie der Partikel ausgerichtet sind. Die gezielten Manipulationen werden verwendet, um vorausgewählte Partikel zu isolieren, modifizieren und transferieren. Dadurch können Partikel zu komplexeren photonischen Systemen kombiniert werden, welche die Funktionalität der einzelnen Bestandteile übertreffen. Der Hauptteil der Arbeit behandelt Experimente mit freischwebenden Partikeln in linearen Paul-Fallen. Durch die räumliche Isolation im elektrodynamischen Quadrupolfeld können Partikel mit reduzierter Wechselwirkung untersucht werden. Neben der spektroskopischen Charakterisierung von optisch aktiven Partikeln (farbstoffdotierte Polystyrol-Nanokügelchen, Cluster aus Nanodiamanten mit Stickstoff-Fehlstellen-Zentren, Cluster aus kolloidalen Quantenpunkten) sowie optischen Resonatoren (plasmonische Silber-Nanodrähte, sphärische Siliziumdioxid-Mikroresonatoren) werden neu entwickelte Methoden zur Manipulation vorgestellt, mit denen sich individuelle Partikel freischwebend kombinieren und elektromagnetisch koppeln sowie aus der Falle auf optischen Fasern zur weiteren Untersuchung bzw. zur Funktionalisierung photonischer Strukturen ablegen lassen. In einem weiteren Teil der Arbeit wird eine Methode zur Manipulation der Geometrie von plasmonischen Nanopartikeln vorgestellt. Dabei werden einzelne Goldkugeln auf einem Deckglas mit einem fokussierten Laserstrahl zum Schmelzen gebracht und verformt. Durch die kontrollierte und reversible Veränderung der Symmetrie lassen sich die lokalisierten Oberflächenplasmonen des Partikels gezielt beeinflußen. / The topic of the present thesis is the investigation of single nano- and microsized particles for the understanding and design of novel nanooptical elements as light sources and sensors, as well as light collecting and guiding structures. In addition to particle characterization, the focus is on different methods for electromagnetic particle manipulation aimed at controlling the particle’s position or geometry. The specific manipulations are used for isolation, modification and transfer of preselected particles, enabling combination of particles into more complex photonic systems, which exceed the functionalities of the individual constituents. The main part of this work deals with experiments on levitated particles in linear Paul traps. Due to the spatial isolation in the electrodynamic quadrupole field, particles can be investigated with reduced environmental interaction. In addition to spectroscopic characterization of optically active particles (dye-doped polystyrene nanobeads, clusters of nanodiamonds with nitrogen vacancy defect centers, clusters of colloidal quantum dots) and particles with optical resonances (plasmonic silver nanowires, spherical silica microresonators) new manipulation methods are presented that enable assembly and electromagnetic coupling of individual, levitated particles as well as deposition of particles from the trap on optical fibers for further characterization or functionalization of photonic structures. In a further part of this work a method to manipulate the geometry of plasmonic nanoparticles is presented. Single gold nanospheres on a coverslip are melted and shaped with a focused laser beam. The localized surface plasmons can be influenced specifically by controlled and reversible changes of the particle symmetry.

Elektrische und magnetische Emitter können zur Erforschung unterschiedlicher plasmonischer Nanostrukturen genutzt werden. Indem wir die Änderung der Abstrahldynamik und in der Lebensdauer bestimmen, detektieren wir die photonische lokale Zustandsdichte. Diese Zustandsdichte, die eine Eigenschaft der Umgebung ist, ermöglicht uns nicht nur Rückschlüsse auf die elektronischen und andere physikalische Eigenschaften dieser zu treffen sondern auch die allgemeinen Eigenschaften der plasmonischen Nanostruktur im Bezug auf Licht-Materie Kopplung zu bestimmen. Eine starke Licht-Materie-Kopplung ist für die zukünftige Anwendung im Bereich der Quantentechnologien wichtig. Wenn Emitter hierbei mit plasmonischen Nanostrukturen koppeln, fokussieren letztere nicht nur das emittierte Lichts an der Oberfläche im Subwellenlängenbereich sondern ermöglichen durch die Feldüberhöhung an der Oberfläche auch eine starke Licht-Materie-Kopplung. In der Arbeit konzentrieren wir uns auf zwei grundlegend unterschiedliche plasmonische Systeme: zunächst untersuchen wir analytisch den Einfluss von Graphen auf elektrische und magnetische Emitter und diskutieren dann die Lebensdaueränderungen und Strahlungsdynamiken in der Nähe von Silber- und Goldnanostrukturen. Im ersten Teil der Arbeit analysieren wir den Einfluss von Graphen mit einer Bandlücke auf den Emitter und zeigen Möglichkeiten zur experimentellen Bestimmung der Bandlücke auf. Im zweiten Teil modellieren wir die Propagation elektromagnetischer Felder im dreidimensionalen Raum mit Hilfe der Diskontinuierlichen Galerkin Zeitraum Methode mit erweiterten Funktionalitäten. Diese verwenden wir sowohl zur theoretischen Modellierung des ersten dreidimensionalen Fluoreszenlebensdauerabbildungsmikroskopie mit einem einzelnen Quantenemitter als auch zur selbstkonsistent Beschreibung von Emittern in der Nähe eines Goldpentamers. Die Kombination der Studien betont die Stärke von Emittern elektrische, optische und magnetische Eigenschaften zu detektieren. / Electric and magnetic emitters can be used to probe different plasmonic nanostructures. By determining the modification of the radiation dynamics and the lifetimes, we can measure the photonic local density of states. This, being a property of the enviroment, does not only allow us to draw conclusions regarding the electronic and other physical properties of the latter but also regarding the general light-matter coupling properties of the plasmonic nanostructure. A strong light-matter coupling is important for future applications in quantum technology. If emitters couple specifically to plasmonic nanostructure, the latter do not only focus the emitted light at the sub-wavelength scale at the surface of the structure but also allow for such a strong light-matter coupling due to the field enhancement at the surface. In this work, we focus on two different basic plasmonic systems: first, we study analytically the influence of graphene on electric and magnetic emitters, and second we discuss lifetime modifications and radiation dynamics close to silver and gold nanostructures. In the first part of this work, we specifically focus on the influence of graphene exhibiting a finite band gap on the emitter. In the second part, we model the propagation of electromagnetic fields in three-dimensional space making use of the discontinuous Galerkin time-domain method with extended functionalities. This framework we apply to model the first three-dimensional scanning-probe fluorescence-lifetime imaging microscopy by use of a single quantum-emitter as well as for a self-consistent description of emitters in the proximity of a gold pentamer. The combination of these studies stress that the strength of emitters lies in the detection of electronic, optical and magnetic properties.

In dieser Arbeit werden die nichtlokalen sowie nichtlinearen Eigenschaften plasmonischer Nanopartikel behandelt, wie sie im hydrodynamischen Modell enthalten sind. Das hydrodynamische Materialmodell stellt eine Erweiterung des Drude Modells dar, in der Korrekturen in der Beschreibung des Elektronenplasmas berücksichtigt werden. Einer ausführlichen Einführung des Materialmodells folgt eine analytische Diskussion der Auswirkungen der Nichtlokalität am Beispiel eines einzelnen Zylinders. Hierbei werden die durch die Nichtlokalität herbeigeführten Frequenzverschiebungen in den Streu- und Absorptionsspektren quantifiziert und asymptotisch behandelt. Des Weiteren wird mit Hilfe einer konformen Abbildung das Problem eines zylindrischen Dimers in der Elektrostatischen Näherung gelöst und die Moden der Struktur bestimmt. Diese Untersuchungen dienen als maßgebliche Grundlage für weiterführende numerische Studien die mit der diskontinuierlichen Galerkin Zeitraummethode durchgeführt werden. Die durch die analytischen Betrachtungen gewonnene Kenntnis der Moden ermöglicht es, im Zusammenhang mit gruppentheoretischen Betrachtungen und numerischen Untersuchungen, rigorose Auswahlregeln für die Anregung der Moden durch lineare und nichtlineare Prozesse aufzustellen. In weiterführenden numerischen Simulationen werden außerdem Strukturen niedrigerer Symmetrie, auf die sich die Auswahlregeln übertragen lassen, untersucht. Zudem werden numerische Studien präsentiert in denen der Einfluss der Nichtlokalität auf Feldüberhöhungen in Dimeren und doppel-resonantes Verhalten (es liegt sowohl bei der Frequenz des eingestrahlten Lichtes als auch bei der zweiten harmonischen eine Resonanz vor) untersucht werden. / This thesis deals with the nonlocal and nonlinear properties of plasmonic nanoparticles, as described by the hydrodynamic model. The hydrodynamic material model represents an extension of the Drude model that contains corrections to the descriptions of the electron plasma. After a thorough derivation of the material model, analytical discussions of nonlocality are presented for the example of a single cylinder. The frequency shifts in the scattering and absorption spectra are quantified and treated asymptotically. Furthermore, by applying a conformal map, the problem of a cylindrical dimer is solved in the electrostatic limit and the modes of the structure are determined. These investigations lay the foundations for numerical investigations which are performed employing the discontinuous Galerkin time domain method. The analytical knowledge of the modes, in conjunction with group theoretical considerations and numerical analysis, enables the formulation of rigorous selection rules for the excitation of modes by linear and nonlinear processes. In further numerical studies, the influence of nonlocality on the field enhancement in dimer structures and double-resonant behavior (a resonance is found at the frequency of the incoming light and at the second harmonic) are investigated.