Atoms change their optical properties drastically when combined into molecules or crystals. This becomes evident when comparing isolated carbon atoms with their solid-state polymorphs graphite and diamond. Plasmonic meta-surfaces adopt this concept to design the optical properties of thin films at will. In analogy to natural materials, the optical response of a meta-surface is dictated by the arrangement and plasmonic coupling (hybridization) of sub-wavelength metallic objects, so-called meta-atoms, rather than by the individual components. Although traditional direct writing approaches offer a high degree of freedom in design of nanostructures, reconfiguration of meta-atoms is usually limited. Especially their spatial rearrangement remains a huge challenge. Postfabrication tunability, however, would be crucial to advance device miniaturization and optical computing, by introducing dynamically tunable optics and optical switches.
This thesis investigates colloidal assembly as a cost-efficient approach to fabricate meta-surfaces on cm²-areas whose optical properties can be tuned by geometrical reconfiguration. Hydrodynamic fields and topographical templates guide the deposition of colloidal nanoparticles with precise orientational and/or positional control. In the course of this work, the level of particle assembly complexity is successively increased to realize 1-, 2-, and 3-dimensional (1D, 2D, 3D) plasmonic assemblies. Strongly correlated with assembly geometry, different aspects of light are controllable. (I) 1D alignment of silver nanowires (AgNWs) produces differential transmission for linear polarization states (linear dichroism). (II) Single particles in a 2D square array interact coherently to produce a sharp, so-called surface lattice resonance (SLR). This effect confines strong electromagnetic fields in the lattice plane, which is promising for plasmonic lasing. (III) 3D chiral, cross-stacked particle chains control the transmission of circular polarization states (circular dichroism, CD).
The unique advantages of colloidal assembly are demonstrated. (I) Spray coating allows rapid deposition of oriented AgNWs over large areas and is compatible with roll-to-roll processing. Employing wrinkle-structured receiver substrates, gradients of continuously varying linear dichroism are feasible in a single step. (II) Capillary assembly is able to realize ~1 nm inter-particle spacing, which is not achievable by conventional top-down lithographical methods. The small spacing enhances inter-particle plasmon coupling and boosts CD in cross-stacked, chiral particle chains, as presented in this thesis. (III) Such hierarchical and restackable, chiral structures make large volumes of superchiral fields accessible for ultrasensitive, enantioselective detection of analytes. This is in vast contrast to stacked nanobars produced via lithography where the most pronounced fields in the inter-layer gap are blocked by the presence of spacing layers.
A central focus of this thesis is the postfabrication reconfiguration of the systems presented. This in-situ tunability is realized by elastic and reversibly stackable templates. (I) Uniaxial, mechanical strain converts the 2D square lattice into a rectangular one. This splits the SLR into two polarization-dependent modes whose resonance position is shifted reversibly when load is applied. (II) The cross-stacked, chiral particle chains are restackable. This allows adjustment of the stacking angle to tune CD magnitude and sign. (III) Reversible compression of this chiral stack induces a bending of the chains to shift the spectral position of CD modes. In a proof of concept, locally varying compression is shown to create a gradient of CD response as important step towards on-chip CD spectroscopy.
Overall, this thesis (I) tests the limits of colloidal assembly by going from single-particle arrays to complex 3D arrangements; (II) explores geometrical reconfiguration of these plasmonic nanostructures to tune pronounced optical effects. The strategies presented herein can be extended to other colloidal particle shapes and materials. Moreover, the concepts of restackable meta-surfaces and local compression for tuning optical response open an intriguing playground and might inspire top-down approaches as well. / Atome ändern ihre optischen Eigenschaften drastisch, wenn sie sich zu Molekülen oder Kristallen vereinigen. Dies wird deutlich, wenn man isolierte Kohlenstoffatome mit ihren Festkörperpolymorphen Graphit und Diamant vergleicht. Plasmonische Meta-Oberflächen übernehmen dieses Konzept, um die optischen Eigenschaften dünner Schichten nach Belieben einzustellen. In Analogie zu natürlichen Materialien wird die optische Antwort einer Meta-Oberfläche durch die Anordnung und plasmonische Kopplung (Hybridisierung) metallischer Mikro- und Nano-Objekte, den sogenannten Meta-Atomen, bestimmt und kann sich stark von den Eigenschaften der Einzelkomponenten unterscheiden. Obwohl traditionelle Direktschreibverfahren ein hohes Maß an Gestaltungsfreiheit in der Nanostrukturierung bieten, ist die Rekonfiguration von Meta-Atomen in der Regel begrenzt. Vor allem ihre räumliche Neuordnung bleibt eine große Herausforderung. Eine Durchstimmbarkeit auch nach der Herstellung zu gewährleisten wäre jedoch entscheidend, um die Miniaturisierung von Geräten und die Realisierung optischer Computer—durch die Einführung dynamisch durchstimmbarer optischer Bauteile und optischer Schalter—voranzutreiben.
Diese Dissertation untersucht kolloidale Assemblierung als kostengünstigen Ansatz zur Herstellung von Meta-Oberflächen im cm²-Maßstab, deren optische Eigenschaften durch geometrische Rekonfiguration durchgestimmt werden können. Hydrodynamische Felder und topographische Template steuern die Ablagerung kolloidaler Nanopartikel mit präziser Orientierungs- und/oder Positionskontrolle. Im Verlauf dieser Arbeit wird die Komplexität der Partikelanordnung sukzessive erhöht, um 1-, 2- und 3-dimensionale (1D, 2D, 3D), plasmonische Anordnungen zu realisieren. Eng verbunden mit der Anordnungsgeometrie können verschiedene Aspekte des Lichts gesteuert werden. (I) Die 1D-Ausrichtung von Silbernanodrähten ruft unterschiedliche Transmission für lineare Polarisationszustände hervor (linearer Dichroismus). (II) Einzelpartikel in einem quadratischen 2D-Kristall wechselwirken kohärent, was eine scharfe, sogenannte Oberflächengitterresonanz (surface lattice resonance) erzeugt. Dieser Effekt konzentriert starke elektromagnetische Felder in der Gitterebene, was ihn für plasmonische Laser interessant macht. (III) 3D-chirale, über Kreuz geschichtete Partikelketten beeinflussen die Transmission zirkularer Polarisationszustände (zirkularer Dichroismus).
Die einzigartigen Vorzüge der kolloidalen Assemblierung werden aufgezeigt. (I) Die Sprühbeschichtung ermöglicht eine rasche Abscheidung orientierter Silbernanodrähte auf großen Flächen und lässt sich mit kontinuierlicher Fertigung (Rolle-zu-Rolle) verbinden. Mit Hilfe faltenstrukturierter Substrate können Gradienten mit kontinuierlich variierendem Lineardichroismus in einem einzigen Schritt erzeugt werden. (II) Partikelanordnung mittels Kapillarkräften ermöglicht Partikelabstände von ~1 nm, was mit herkömmlichen, lithographischen Methoden nicht erreichbar ist. Dieser geringe Abstand verbessert die Plasmonenkopplung zwischen den Partikeln und verstärkt den Zirkulardichroismus in gekreuzten, chiralen Partikelketten, wie in dieser Arbeit vorgestellt wird. (III) Solche hierarchischen und wiederholt stapelbaren, chiralen Strukturen machen große Volumina an superchiralen Feldern für Analytmoleküle zugänglich, was deren ultrasensitive, enantioselektive Detektion ermöglicht. Dies steht in starkem Gegensatz zu gestapelten, lithographisch hergestellten Nanostäbchen, bei denen die stärksten Felder im Zwischenschichtspalt durch die Anwesenheit von Abstandsschichten versperrt bleiben.
Ein zentrales Thema dieser Arbeit ist die Rekonfiguration der vorgestellten Systeme im Anschluss an deren Fertigung. Diese in-situ-Durchstimmbarkeit wird durch elastische und reversibel stapelbare Template realisiert. (I) Mechanische Deformation entlang einer Achse überführt den quadratischen 2D-Kristall in einen rechteckigen. Dadurch wird die Oberflächengitterresonanz in zwei polarisationsabhängige Moden aufgespalten, deren Resonanzposition unter Krafteinwirkung reversibel verschoben wird. (II) Die über Kreuz gestapelten, chiralen Partikelketten sind wiederholt stapelbar. Dies ermöglicht die Anpassung des Stapelwinkels, um die Stärke und das Vorzeichen des Zirkulardichroismus einzustellen. (III) Reversible Kompression dieses chiralen Stapels verursacht ein Verbiegen der Ketten und verschiebt so die spektrale Position der zirkulardichroitischen Moden. In einer Machbarkeitsstudie konnte gezeigt werden, dass lokal variierende Kompression einen Gradienten des Zirkulardichroismus hervorruft. Dies stellt einen wichtigen Schritt in Richtung Ein-Chip-Spektroskopie dar.
Diese Arbeit (I) lotet die Grenzen der kolloidalen Assemblierung aus, indem sie von Einzelpartikel-Anordnungen zu komplexen 3D-Arrangements übergeht; (II) untersucht die geometrische Rekonfiguration dieser plasmonischen Nanostrukturen, um ausgeprägte optische Effekte zu modulieren. Die hier vorgestellten Strategien können auf andere kolloidale Partikelformen und materialien übertragen werden. Darüber hinaus bereiten die Konzepte wiederholt stapelbarer Meta-Oberflächen und der lokalen Kompression zum Einstellen der optischen Eigenschaften eine faszinierende Spielwiese. Auch der Top-Down-Fertigung könnten diese Ansätze als Blaupause dienen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:76956 |
| Date | 13 December 2021 |
| Creators | Probst, Patrick T. |
| Contributors | Fery, Andreas, Karg, Matthias, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| 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/acsami.7b15042, 10.1021/acsami.9b08871, 10.1038/s41563-021-00991-8 |
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