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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:HUMBOLT/oai:edoc.hu-berlin.de:18452/18008 |
| Date | 17 November 2015 |
| Creators | Zhang, Yuan |
| Contributors | May, Volkhard, Busch, Kurt, Knorr, Andreas |
| Publisher | Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät |
| Source Sets | Humboldt University of Berlin |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralThesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | Namensnennung, http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/ |
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