The process of spontaneous emission can be dramatically modified by optical micro- and nanostructures. We studied the modification of fluorescence dynamics using a polymer spacer layer fabricated through layer-by-layer (LbL) self-assembly. The advantages of this method are numerous: The self-assembled spacers can possess exceptional smooth surface morphology; The thickness of the spacer can be controlled with nanometer accuracy; And depending on fabrication conditions, the spacer layer is stimuli responsive and its thickness can be dynamically tuned. This thesis contains three interlinked components. First, we vary LbL spacer layer thickness and explore the change in fluorescence lifetime induced by the modified photonic density of states (PDOS), i.e., Purcell effects. Our experimental results agree well with theoretical predictions based on a classical dipole model, which also yields consistent values for the fluorophores' intrinsic fluorescence lifetime and quantum yield near a dielectric as well as a plasmonic interface. Based on this observation, we further demonstrate that self-assembled fluorophores can be used to probe the modified PDOS near optical micro- and nano-structures. These results naturally lead to the second component of our research. In particularly, based on the PDOS-induced changes in fluorescent lifetime, we develop a non-contact method that can measure morphological changes with nanoscale resolution. Our method relies on quantitatively linking fluorophore position with PDOS, and is validated through direct comparison with ellipsometry and atomic force microscopy (AFM) measurements. To demonstrate the potential application of this method, we investigated the swelling/deswelling of LbL films induced by pH changes. Our results indicate significant difference between a LbL film composed of a single polymer monolayer and a LbL film with 3 monolayers. Such stimuli-responsive polymers can be used to construct active and tunable plasmonic nano-devices. As a proof-of-principle demonstration, we experimentally confirm that it is possible to utilize the swelling/deswelling behavior of stimuli-responsive films to dynamically control the separation between Au nanoparticles and Texas Red (TR) dyes. This result is based on the strong correlation of TR fluorescence lifetime and nanoparticles-TR separation. Finally, we investigate the impact of different lithography processes on the fluorescence properties of self-assembled fluorophores. We consider three methods: direct fluorophore patterning through ultraviolet (UV) ablation, focused ion beam (FIB) milling of self-assembled fluorophores, and self-assembly of fluorescent materials over plasmonic nano-patterns. / Ph. D.

High sensitivity uncooled microbolometers are necessary to meet the needs of the next generation of infrared detectors, which seek low power consumption and production cost without sacrificing performance. Presented here is the design, fabrication, and characterization of a microbolometer with responsivity enhanced by novel highly absorptive coatings. The device utilizes a gold-doped vanadium oxide film in a standard air bridge design. Performance estimations are calculated from current theory, and efforts to maximize signal to noise ratio are shown and evaluated. Most notably, presented are the experimental results and analysis from the integration of two different absorptive coatings: a patterned gold black film and a plasmonic resonant structure. Infrared-absorbing gold black was selectively patterned onto the active surfaces of the detector. Patterning by metal lift-off relies on protection of the fragile gold black with an evaporated oxide, which preserves gold black's near unity absorptance. This patterned gold black also survives the dry-etch removal of the sacrificial polyimide used to fabricate the air-bridge bolometers. Infrared responsivity is improved 70% for mid-wave IR and 22% for long-wave IR. The increase in the thermal time constant caused by the additional mass of gold black is a modest 15%. However, this film is sensitive to thermal processing; experimental results indicate a decrease in absorptance upon device heating. Sub-wavelength resonant structures designed for long-wave infrared (LWIR) absorption have also been investigated. Dispersion of the dielectric refractive index provides for multiple overlapping resonances that span the 8-12 ?m LWIR wavelength band, a broader range than can be achieved using the usual resonance quarter-wave cavity engineered into the air-bridge structures. Experimental measurements show an increase in responsivity of 96% for mid-wave IR and 48% for long-wave IR, while thermal response time only increases by 16% due to the increased heat capacity. The resonant structures are not as susceptible to thermal processing as are the gold black films. This work suggests that plasmonic resonant structures can be an ideal method to improve detector performance for microbolometers.

Organic solar cells have great potential for cost-effective and large area electricity production, but their applicability is limited by the relatively low efficiency. In this dissertation I report investigations of novel materials and the underlying principles of organic solar cells, carried out at the University of St Andrews between 2011 and 2015. Key results of this investigation: • The charge carrier mobility of organic semiconductors in the active layer of polymer solar cells has a rather small influence on the power conversion efficiency. Cooling solar cells of the polymer:fullerene blend PTB7:PC₇₁BM from room temperature to 77 K decreased the hole mobility by a factor of thousand but the device efficiency only halved. • Subphthalocyanine molecules, which are commonly used as electron donor materials in vacuum-deposited active layers of organic solar cells, can, by a slight structural modification, also be used as efficient electron acceptor materials in solution-deposited active layers. Additionally these acceptors offer, compared to standard fullerene acceptors,advantages of a stronger light absorption at the peak of the solar spectrum. • A low band-gap polymer donor material requires a careful selection of the acceptor material in order to achieve efficient charge separation and a maximum open circuit voltage. • Metal structures in nanometer-size can efficiently enhance the electric field and light absorption in organic semiconductors by plasmonic resonance. The fluorescence of a P3HT polymer film above silver nanowires, separated by PEDOT:PSS, increased by factor of two. This could be clearly assigned to an enhanced absorption as the radiative transition of P3HT was identical beside the nanowires. • The use of a processing additive in the casting solution for the active layer of organic solar cells of PTB7:PC₇₁BM strongly influences the morphology, which leads not only to an optimum of charge separation but also to optimal charge collection.

Ein grundlegender Trend der modernen Mikro- und Optoelektronik ist die sinkende Größe der aktiven Elemente der Bauteile. Mit typischen Dimensionen im Bereich 1-10 nm werden Effekte des sogenannten quantenmechanischen Confinements bemerkbar, die die elektronischen und phononischen Eigenschaften der Materialien stark beeinflussen. Der aktuelle Entwicklungsstand von Nanotechnologie macht es möglich, Halbleiternanokristalle mit verschiedenen Strukturparametern wie Größe, Form und chemischer Zusammensetzung herzustellen, welche neue fundamentaleтhysikalische Eigenschaften zeigen. Gleichzeitig ist die Herausforderung, die Zusammenhänge von Struktur der Nanokristalle mit deren optischen, elektronischen und phononischen Eigenschaften zu erkunden, weiterhin relevant. Der Grund dafür besteht darin, dass klassische optische Methoden zur Untersuchung von makroskopischen Materialien und dünnen Schichten – Raman-, Infrarot- und Photolumineszenz-Spektroskopie, bei Anwendung auf Nanostrukturen nicht einzelne, sondern gleich eine Vielzahl von Nanoobjekten mit unterschiedlichen Größen, Formen, Zusammensetzungen etc. messen. Als Resultat davon sind die gemessenen Werte nicht sehr aussagekräftig, da effektiv über eine große Anzahl von Nanokristallen gemittelt wird, während der Beitrag von einzelnen Nanokristallen unter dem Detektionslimit liegen. Aus diesem Grund wurden die Methoden der plasmonverstärkten optischen Spektroskopie, inklusive oberflächenverstärkter Ramanstreuung (SERS, Surface Enhanced Raman Spectroscopy), Photolumineszenz (SEPL, Surface Enhanced Photoluminescence) und Infrarotabsorption (SEIRA, Surface Enhanced IR Absorption) in den letzten Jahren mit dem Ziel, das erreichbare Signal einzelner Halbleiternanostrukturen zu verbessern, stark vorangetrieben. Diese Methoden basieren auf der lokalen Verstärkung des elektromagnetischen Feldes nahe metallischer Nanostrukturen durch das Anregen lokalisierter Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR, Localized Surface Plasmon Resonance) mittels Licht im sichtbaren oder infraroten Spektralbereich. Diese oberflächenverstärkten Methoden erlauben das Untersuchen des Phononenspektrum aus SERS-, SEPL- und SEIRA-Daten mit einer Sensitivität weit über der von konventionellen Methoden. Daher wurden in dieser Arbeit SERS- und SEPL-Experimente an CdSe/CdS Nanoplättchen, die auf Gold Nanoscheiben abgeschieden wurden, durchgeführt. Resonantes und nichtresonantes SERS sowie der Einfluss von Energietransfer und Purcell-Effekt in SEPL-Experimenten werden hier gezeigt. Mittels numerischer Simulation wurde die Struktur der Mikro- und Nanoantennen optimiert, um die Übereinstimmung ihrer LSPR- und der Phononenenergien der Halbleiternanokristall-Monolagen in SEIRA-Experimenten zu erreichen. Damit wurden die phononischen Eigenschaften dieser Halbleiternanokristall-Monolagen untersucht, was vorher mit konventioneller IR-Spektroskopie nicht möglich war. Ebenso wurde gezeigt, dass die Plasmonen der Nanoantennen effektiv mit darunterliegenden Materialien, z.B. SiO2, gekoppelt werden können. Die Eindringtiefe dieser Kopplung wurde durch Messung an Nanoantennen auf verschieden dicken SiO2-Lagen bestimmt und die Plasmon-Phonon-Wechselwirkung, die zur Renormalisierung von Phononen- und Plasmonenspektren führt, gefunden. Teile der Arbeit sind in J. Chem. Phys., 153, 16, 2020, Beilstein J. Nanotechnol., 9, 2646–2656, 2018, J. Phys. Chem. C, 121, 10, 5779–5786, 2017, und Beilstein J. Nanotechnol. 7, 1519–1526, 2016 veröffentlicht. Es ist zu beachten, dass die Grenze des Auflösungsvermögens für Optik auch für die oberflächenverstärkte Spektroskopie gilt. Um diese Grenze zu umgehen wurde spitzenverstärkte Ramanspektroskopie (TERS, Tip Enhanced Raman Spectroscopy) verwendet. TERS kombiniert die hohe räumliche Auflösung von AFM (Rasterkraftmikroskopie, Atomic Force Microscopy) mit den analytischen Fähigkeiten der Ramanspektroskopie. Eine Möglichkeit, das lokale elektromagnetische Feld und damit auch das gemessene TERS-Signal zu verstärken, besteht darin, plasmonische Substrate zu verwenden, wobei das zu untersuchende Objekt zwischen diesem Substrat und der Spitze des TERS-Spektrometers platziert wird, da dort die Verstärkung des elektromagnetischen Feldes am größten ist (sogenanntes gap-mode TERS). Daher haben wir in dieser Arbeit den Einfluss eines solchen plasmonischen Substrates auf die TERS-Messungen von phononischen Eigenschaften extrem dünner Lagen (Submonolage) von Nanokristallen untersucht. Vorteile verschiedener TERS-Methoden werden demonstriert: konventionelles TERS, gap-mode TERS und resonantes gap-mode TERS. TERS-Mapping wurde auf den gleichen Nanoscheiben mit CdSe-Nanokristallen durchgeführt und der Unterschied dieser Mappings für zwei verschiedene, für die Ramanspektroskopie genutzte Wellenlängen mit elektrodynamischer Modellierung erklärt. Mit gap-mode TERS war es möglich, einzelne CdSe/CdS Nanoplättchen sichtbar zu machen und ihre Phononenmoden zu erforschen. Teile dieser Arbeit sind in Nanoscale Adv., 2, 11, 5441–5449, 2020 veröffentlicht. Eine weitere neue und intensiv vorangetriebene Methode zur Nanoanalyse ist die nano-FTIR (Fourier Transformed Infrared Spectroscopy, Fouriertransformierte Infrarotspektroskopie) genannte Kombination von IR-Spektroskopie mit Rasterkraftmikrokopie. Im Gegensatz zu TERS, bei dem Licht von einer einzelnen, schmalen Laserlinie inelastisch gestreut wird, verwendet nano-FTIR eine breitbandige Infrarotquelle. Daher wird in nano-FTIR das gesuchte Nahfeld-Signal durch Demodulation des Detektorsignals extrahiert. Durch nano-FTIR-Spektroskopie wurde in dieser Arbeit der Oxidgehalt x in SiOx-Nanodrähten auf der Nanometerskala bestimmt. Weiterhin wurden Plasmon-Phonon-Wechselwirkungen einer einzelnen Nanoantenne auf Si/SiO2 Substrat ebenfalls auf der Nanometerskala untersucht. Teile dieser Arbeit sind in Appl. Surf. Sci., 152583, 2022 veröffentlicht. Zuletzt demonstriert diese Arbeit auch die Kombination von polarisiertem TERS und nano-FTIR für die Untersuchung von hexagonalen AlN-Nanoclustern. Es wird gezeigt, dass die polarisierten TERS-Experimente sensitiv sind für Oberflächenplasmonenmoden mit unterschiedlichen Symmetrien, wie sie charakteristisch für AlN-Nanocluster sind. Der Einfluss der Polarisierung auf die TERS-Mappings eines einzelnen AlN-Clusters und Nanodrahts wird experimentell gezeigt und erklärt. Weiterhin konnte festgestellt werden, dass die nano-FTIR-Spektren, ähnlich den TERS-Daten, eine Sensitivität für Oberflächenmoden zeigen und neue Informationen über die Winkelverteilung dieser AlN-Oberflächenphononen im Nanokristall auf der Nanometerskala liefern.:Table of Contents 1. Elementary excitations in hybrid semiconductor/metal nanostructures 10 1.1. Phonons and excitons in semiconductor nanocrystals: Raman, IR and PL spectroscopies 11 1.2. Raman scattering 15 1.3. Plasmons in metal nanoclusters 17 1.4. Photoluminescence 20 1.5. Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS), IR absorption (SEIRA), and Photoluminescence (SEPL) in hybrid semiconductor/metal nanostructures: Principles and enhancement mechanisms 22 1.6. Tip-enhanced Raman spectroscopy (TERS) and Photoluminescence (TEPL) of semiconductor nanostructures 24 1.7. From conventional Fourier transform infrared (FTIR) to nano-FTIR spectroscopy 26 1.8. Summary 27 2. Experimental Methods 28 2.1. Fabrication of metal nanostructures 28 2.1.1. Metal evaporation 28 2.1.2. Fabrication of TERS cantilevers 28 2.1.3. Photo- and Nanolithography of metal micro-and nanostructures 28 2.2. Fabrication of semiconductor nanocrystals by Langmuir-Blodgett technology and their TEM characterization 32 2.3. Fabrication and TEM characterization of CdSe/CdS nanoplatelets 35 2.4. Fabrication of SiOx lines by local anodic oxidation 36 2.5. Molecule beam epitaxy (MBE) of AlN nanoclucters on Si(111) 37 2.6. Microscopy and spectroscopy characterization methods of semiconductor and metal nanostructures at micro- and nanoscale 38 2.6.1. Micro- and nano-Raman, and Photoluminescence spectroscopies 38 2.6.2. Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy 39 2.6.3. Atomic Force Microscopy (AFM) 41 2.6.4. NeaSNOM platform for Nano-FTIR spectroscopy 43 2.7. Summary 45 3. Surface- enhanced Raman, PL and IR spectroscopies of hybrid semiconductor/metal nanostructures 46 3.1. SERS and SEPL of CdSe/CdS nanoplatelets on Au nanodisks 46 3.2. IR spectroscopy of hybrid semiconductor/metal nanostructures 52 3.2.1. Plasmon modes in gold nanoantennas on Si/SiO2 52 3.2.1.1. Plasmon modes in micro- and nanoantennas of various morphologies 57 3.2.1.2. Activation of even modes of localized surface plasmon in antennas 61 3.2.2. SEIRA of optical phonons in CdS, CdSe, PbS nanocrystals on Au micro- and nanoantennas 64 3.3. Summary 67 4. Nanoscopy of hybrid semiconductor/metal nanostructures 69 4.1. TERS of CdSe NCs on different plasmonic substrates 69 4.2. Gap-mode TERS imaging of CdSe NCs for different excitation energies 76 4.3. Gap-mode TERS imaging of CdSe/CdS nanoplatelets 79 4.4. Nano-FTIR Spectroscopy of SiOx nanowires 81 4.5. Plasmon-phonon nanoscale interaction in an Au nanoantenna on a thin SiO2 layer 85 4.6. Summary 87 5. Comparative nanoscale analysis of surface optical modes in AlN nanostructures 89 5.1. TERS mapping of a single AlN hexagonal nanocluster 89 5.2. Hyperspectral Nano-FTIR imaging of a single AlN hexagonal nanocluster 91 5.3. Polarized TERS mapping and Hyperspectral Nano-FTIR imaging of a single AlN nanowire 95 5.4. Summary 98 6. Summary 99 7. Appendix 101 8. Acknowledgements 104 9. Lebenslauf 105 10. Publications 106 11. Erklärung 108 12. Bibliography 109 13. List of Figures 125

L'enginyeria de les propietats plasmòniques de les nanoestructures metàl·liques requereix un control acurat de les seves formes i distribució. Això normalment s'aconsegueix amb l'ús de la litografia per feix d'electrons sobre polímers electro-sensibles combinat amb la deposició de capes fines de metall i el lift-off. La deposició directa i localitzada de metalls induïda per un feix d'electrons (FEBID per Focused Electron Beam Induced Deposition) és un mètode alternatiu querecentment ha rebut un interès creixent en microelectrònica però encara no ha despertat massa atenció dins la comunitat d'òptica. L'FEBID és el resultat de la descomposició local, per un feixd'electrons focalitzat, de les molècules d'un precursor adsorbides sobre una superfície. Aquesta s'ha aplicat majoritàriament en la escriptura directa de contactes o per a la reparació de circuits, però amb l'ús de metalls nobles podria aprofitar-se per a l'òptica de plasmons.En aquesta tesi es demostra l'ús de l'FEBID per a fabricar nanoestructures d'or per a aplicacions d'òptica de plasmons. S'investiguen els efectes del material del substrat i dels paràmetres de deposició, com ara el corrent del feix i la pressió de vapor d'aigua, sobre el ritme de creixement i la puresa de l'or. S'ha emprat un recuit ex situ de la mostra com a mètode de millora de la puresa. Les mesures òptiques de dispersió sobre les estructures purificades evidencien que suporten plasmons de superfície localitzats. Aquest mètode de fabricació permet el creixement d'estructures plasmòniques amb una elevada relació d'aspecte i ha de facilitar l'escriptura en superfícies no planes com l'extremitat d'una sonda de rastreig allargada. / La ingeniería de las propiedades plasmónicas de las nanoestructuras metálicas requiere un control preciso de sus formas y distribución. Esto normalmente se consigue con el uso de la litografía por haz de electrones sobre polímeros electro-sensibles combinado con la deposición de capas finas de metal y el lift-off. La deposición directa y localizada de metales inducida por un haz de electrones (FEBID por Focused Electron Beam Induced Deposition) es un método alternativo que recientemente ha despertado un interés creciente en microelectrónica pero todavía no ha recibido demasiada atención dentro de la comunidad de óptica. La FEBID es el resultado de la descomposición local, por un haz de electrones focalizado, de las moléculas de un precursor adsorbidas sobre una superficie. Esta se ha aplicado mayoritariamente en la escritura directa de contactos o para la reparación de circuitos, pero con el uso de metales nobles podría ser aprovechada para la óptica de plasmones.En esta tesis se demuestra el uso de la FEBID para fabricar nanoestructuras de oro para aplicaciones de óptica de plasmones. Se investigan los efectos del material del sustrato y de los parámetros de deposición, como la corriente del haz y la presión de vapor de agua, sobre el ritmo de crecimiento y la pureza del oro. Se ha utilizado un recocido ex situ de la muestracomo método de mejora de la pureza. Las medidas ópticas de dispersión sobre las estructuras purificadas evidencian que soportan plasmones de superficie localizados. Este método de fabricación permite el crecimiento de estructuras plasmónicas con una elevada relación de aspecto y tiene que facilitar la escritura en superficies no planas como la extremidad de una sonda de rastreo alargada. / Engineering the plasmon properties of metal nanostructures requires an accurate control on their shapes and distribution. This is conventionally achieved by using electron-beam lithography on electro-sensitive polymers combined with thin-metal-film deposition and lift-off. Direct local deposition of metals induced by a focused electron beam (FEBID for Focused ElectronBeam Induced Deposition) is an alternative method that has been receiving a growing interest in microelectronics but it has not yet received much attention in the optical community. The FEBID is the result of the local decomposition, by a focused electron beam, of precursor molecules adsorbed on a surface. It has mostly been applied to direct-contact writing or to circuit reparation, but can be applied advantageously to plasmon optics when involving noble metals.In this thesis the use of the FEBID to fabricate gold nanostructures for plasmon optics applications is demonstrated. The effects of the substrate material and the deposition parameters, such as beam current and water vapor pressure, on both the deposition rate and the gold purity are investigated. Ex-situ annealing of the sample is used as a purity improvement method. Scattering optical measurements on the purified structures evidence that they support localized surface plasmon resonances. This fabrication method enables to grow high aspect ratio plasmonic structures and to render much easier nano-patterning on non-flat surfaces such as the extremity of an elongated scanning probe.