Infrarot-Spektroskopie mit Nanostrukturen

 

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      Gerät zu Infrarot-Spektroskopie mit Nanostrukturen Urheberrecht: RWTH Aachen FTIR on IR Antennas

    Traditionelle Fernfeld-IR-Mikroskopie

    Auch die traditionelle Fernfeld-IR-Mikroskopie wird zur Untersuchung von resonanten Nanostrukturen für Infrarotlicht in der Forschungsgruppe von Prof. Thomas Taubner eingesetzt: Metallische Nanostrukturen können als „Antennen“ für Infrarotlicht dienen und (ähnlich wie die Tastspitze im SNOM) zu lokal verstärkten elektromagnetischen Feldern führen. Diese Feldüberhöhung kann für die oberflächenverstärkte Infrarotabsorption (engl. “Surface Enhanced Infrared Absorption“, SEIRA) zum Nachweis von dünnen Molekülfilmen verwendet werden. Im Rahmen zweier Bachelorarbeiten und einer Diplomarbeit haben wir den auf Selbstorganisation von Nanokugeln basierenden Prozess der Nanokugellithographie genutzt, um an den so erhaltenen Nanostrukturen eine verstärkte infrarote Absorption von Molekülen nachzuweisen. Um dieses Themenfeld weiter zu stärken und damit auch die Sensitivität der konventionellen IR-Spektroskopie zu erhöhen, wurde 9/2012 ein neuer Postdoktorand Tao Wang eingestellt, um die Sensitivität durch gekoppelte Strukturen, optimierten Detektionsverfahren und den Einsatz von abstimmbaren Laserquellen weiter zu steigern. In der Zukunft wollen wir SEIRA auch in Flüssigkeiten explorieren und mit Mikrofluidiken zur spezifischen Detektion von klinisch relevanten Substanzen kombinieren.

    Im Rahmen dieser Forschungstätigkeiten enstanden unter anderem folgende Publikationen:

    „Optical properties of single infrared resonant circular microcavities for Surface Phonon Polaritons“.
    T. Wang, P. Li, B. Hauer, D.N. Chigrin and T. Taubner.
    Nano Letters, Articles ASAP, DOI: 10.1021/nl4020342

    “Mapping infrared antenna resonances of particle arrays fabricated by colloidal lithography”
    J.M. Hoffmann, X. Yin, T.W.W. Mass, J. Richter, A. Hartung and T. Taubner.
    Journal of physical Chemistry C, 117, 11311-11316 (2013).

    “Surface enhanced infrared spectroscopy with gold strip gratings”
    T. Wang, V.H. Hguyen, A. Buchenauer, U. Schnakenberg and T. Taubner.
    Optics Express, 21, 9005-9010 (2013).

      Diagramm zu Phasenwechselmaterialien Urheberrecht: RWTH Aachen phase-change nanooptics

    Einsatz von „Phasenwechselmaterialien“

    Ein weiteres Themengebiet, welches mit der Fernfeld-IR-Mikroskopie adressiert werden kann, ist der Einsatz von sogenannten „Phasenwechselmaterialien“ aus der Gruppe von Prof. Wuttig, um die spektrale Resonanzposition von infraroten Antennen kontrolliert zu schalten. Die vielversprechenden ersten Ergebnisse aus der gemeinsam betreuten Masterarbeit von Kathrin Schönauer zeigten eine Resonanzverschiebung von 30% (im Vergleich zu ca. 10 % in der Literatur). Momentan wird dieses Gebiet von der ehemaligen Doktorandin Ann-Katrin Michel seit 10/2011) weitergeführt, die dazu wohldefinierte Nanostrukturen mittels Elektronenstrahllithographie im Reinraum des 2. Physikalischen Instituts herstellt. Ziel dieser Arbeiten ist es, sowohl elektrisch als auch optisch schaltbare IR-optische Komponenten herzustellen. Die Vorhaben könnten eines Tages sogar zu individuell programmierbaren Metamaterialien führen.

    Im Rahmen dieser Forschungstätigkeiten enstanden unter anderem folgende Publikationen:

    “Using low-loss phase-change materials for mid-infrared antenna resonance switching”.
    A.-K. U. Michel, D. Chigrin, T.W.W. Mass, K. Schönauer, M. Salinga, M. Wuttig and T. Taubner.
    Nano Letters, 13, 3470-3475 (2013).