Photonic metasurfaces obtain their unique optical properties from the periodic arrangement of sub-wavelength building blocks and can manipulate light in ways that differ significantly from bulk materials. Until recently, metasurfaces have been fabricated using top-down methods on a limited surface area. With the development of directed self-assembly methods and utilization of nanoscale colloids, metasurfaces can be fabricated on a larger scale and with reasonable efforts. In particular, soft nanoimprint lithography, based on the controlled drying of the colloidal solution within a structured template, allows for the precise placement of versatile colloidal building blocks on a substrate of choice. In this dissertation, the material and optical properties of self-assembled plasmonic and photoluminescent nanoparticles are systematically studied in terms of their short- and long-range interactions. It is shown that 1D plasmonic lattices exploit the intrinsic anisotropy and substrate-dependent collective resonant coupling. Likewise, semiconductor nanoparticles organized into linear gratings, result in light-emitting metasurfaces, featuring geometry-dependent amplification of the photoluminescence that can be further promoted to a non-linear amplification regime. Moreover, on flexible substrates, these self-assembled light-emitting metasurfaces can be stacked and twisted, inducing remarkably strong chiral effects and subsequently used for directional light sources, nanolasers, sensing, and labeling applications. Supported by theoretical modeling, this work provides a novel approach to realize anisotropic and non-linear optical properties on centimeter-scaled surface area using soft-lithography and directed self-assembly methods. It bridges the gap between nanoscale colloids and optoelectronics while advancing the integration of metasurfaces into functional devices. / Photonische Metaoberflächen erhalten ihre einzigartigen optischen Eigenschaften durch die periodische Anordnung von Bauelementen im Sub-Wellenlängenbereich und können Licht auf eine Weise manipulieren, die sich deutlich von Ausgangsmaterialien unterscheidet. Bis vor kurzem wurden Metaoberflächen mit Top-Down-Methoden auf einer begrenzten Oberfläche hergestellt. Mit der Entwicklung von Methoden der gerichteten Selbstorganisation und der Nutzung von Kolloiden im Nanomaßstab können Metaoberflächen in größerem Maßstab und mit angemessenem Aufwand hergestellt werden. Insbesondere die Soft-Nanoimprint-Lithographie, die auf der kontrollierten Trocknung der kolloidalen Lösung innerhalb einer strukturierten Template basiert, ermöglicht die präzise Platzierung vielseitiger kolloidaler Bauelemente auf einem Substrat der Wahl. In dieser Dissertation werden die materiellen und optischen Eigenschaften selbstorganisierter plasmonischer und photolumineszenter Nanopartikel im Hinblick auf ihre Kurz- und Langstreckenwechselwirkungen systematisch untersucht. Es wird gezeigt, dass plasmonische 1D-Gitter die intrinsische Anisotropie und die substratabhängige kollektive Resonanzkopplung ausnutzen. Ebenso führen Halbleiter-Nanopartikel, die in linearen Gittern organisiert sind, zu lichtemittierenden Metaoberflächen, welche eine geometrieabhängige Verstärkung der Photolumineszenz aufweisen, die bis zu einem nichtlinearen Verstärkungsregime weitergeführt werden kann. Außerdem können diese selbstorganisierten, lichtemittierenden Metaoberflächen auf flexiblen Substraten gestapelt und verdreht werden, was zu bemerkenswert starken chiralen Effekten führt und anschließend für gerichtete Lichtquellen, Nanolaser, Sensor- und Beschriftungsanwendungen genutzt werden kann. Unterstützt durch theoretische Modellierung bietet diese Arbeit einen neuartigen Ansatz zur Realisierung anisotroper und nichtlinearer optischer Eigenschaften auf zentimetergroßen Oberflächen unter Verwendung von Softlithographie und Methoden der gerichteten Selbstmontage. Sie überbrückt die Lücke zwischen Kolloiden im Nanomaßstab und der Optoelektronik und treibt gleichzeitig die Integration von Metaoberflächen in funktionale Geräte voran.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:80532 |
| Date | 31 August 2022 |
| Creators | Aftenieva, Olha |
| Contributors | König, Tobias A. F., Eychmüller, Alexander, Technische Universität Dresden, Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V. |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 10.1021/acs.jchemed.1c00183, 10.1002/adfm.202105054, 10.1002/adom.202001280 |
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