paper

Abschlussarbeiten

2019

Jonas Jürgen Albert
Aperturlose Nahfeldmikroskopie fluoreszierender Nanoobjekte
Dissertation, Bayreuth (2019) online, ERef, abstract: show

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Inbetriebnahme und dem optisch erweiterten Aufbau eines Rasterkraftmikroskops, welches Licht-Materie-Wechselwirkung unterhalb der Auflösungsgrenze des Lichts ermöglicht. Mit diesem Setup werden individuelle halbleitende und organische Nanostrukturen untersucht, deren Eigenschaften sie interessant für neue Nanotechnologien machen. Dabei stehen vor allem ausgedehnte Zustände, entweder durch entsprechende Wechselwirkung zwischen den Strukturen oder innerhalb eindimensionaler Nanodrähte im Fokus, da hier effizienter Energietransport möglich ist. Dabei wird das Verhalten von Nanoobjekten mit einer Größe von nur wenigen Nanometern deutlich von deren Geometrie und dem dielektrischen Umfeld beeinflusst. Standardmäßige optische Spektroskopie liefert jedoch keine Auskunft über strukturelle Einzelheiten der Objekte in dieser Größenordnung. Durch die Verbindung von zeitaufgelöster Photoemission und Rasterkraftmikroskopie bietet unser Aufbau räumlich hochauflösende optische Spektroskopie, welche direkt mit Topographie-Informationen korreliert ist. Dabei wird die Möglichkeit einer gezielten Manipulation der Umgebung dazu genutzt, um die Emissionseigenschaften der Nanoobjekte zu ändern und zu untersuchen. Im ersten Teil der Arbeit wird auf die Methode der optischen Nahfeldmikroskopie eingegangen, dessen Herzstück ein Rasterkraftmikroskop darstellt. Hierbei werden verschiedene Betriebsmodi und grundlegende Rauschquellen diskutiert. Im Anschluss wird eine weitere Methode, die Kelvin-Probe-Force-Mikroskopie vorgestellt, welche einen Einblick auf unterschiedliche Austrittsarbeiten der Elektronen an Oberflächen liefert und so helfen kann, erzeugte Ladungsträger und deren Ausbreitung in den Strukturen darzustellen. Bei den drei genannten Rastersonden-Mikroskopie-Methoden dient eine metallische Spitze als Sonde, weshalb sie während einer Messung simultan eingesetzt werden können, um so maximale Information über die Probe zu erhalten. Der nächsten Abschnitt befasst sich mit dem experimentellen Aufbau des optischen Nahfeldmikroskops. Dabei wird das Rasterkraftmikroskop getestet und mit einem invertierten optischen Fluoreszenzmikroskop vereint. Um die notwendige Auflösung zu erhalten, werden Rauschquellen identifiziert und minimiert. Außerdem werden Details zu den wichtigsten verwendeten Messmethoden, beispielsweise Time-Correlated-Single-Photon-Counting bezüglich der Position der Nahfeldsonde, sowie der Kraftsensorkalibration und Mikroskop-Justage erläutert. Aufgrund ihrer Rolle für die Datenanalyse bei der Rasterkraftmikroskopie wird auch eine grundlegende Bildbearbeitung von Topographiemessungen vorgestellt. Im Folgenden wird mit dem Aufbau der Einfluss einer Goldspitze auf die Emissionseigenschaften einzelner CdSe-Nanokristalle gemessen. Um das vorherrschende Quenching des Signals nachvollziehen und erklären zu können, dient ein analytischen Modell, welches zusätzlich durch Finite-Elemente-Simulationen bekräftigt wird. Es zeigt deutlich, wie das Quench-Verhalten von der Distanz zwischen Spitze und Probe, Spitzengeometrie, Polarisation des Emitterdipols und der Wellenlänge abhängt. Aufgrund der Stabilität des Verhaltens kann es zur genauen Justage des Mikroskops verwendet werden. Im weiteren Schritt werden kleine Nanokristallansammlungen untersucht, wobei die hohe räumliche Auflösung die Bestimmung der Emitteranzahl deutlich verbessert. Diese Ansammlungen zeigen ein ähnliches Lumineszenzauslöschung-Verhalten, wobei es mit steigender Anzahl zunehmend zu Abschirmeffekten kommt. Im nächsten Abschnitt werden CdSe-Nanodrähte untersucht, da aufgrund ihrer zweidimensionalen Einengung eine hohe Ladungsträgermobilität entlang ihrer Achse erwartet wird. Durch den Einfluss einer Goldspitze kann gezeigt werden, dass diese Drähte ausgedehnte Exzitonzustände besitzen und damit energieeffizienten Energietransport über Mikrometer gewährleisten können. Jedoch deutet bereits das unterschiedliche optische Verhalten der Drähte ihre Inhomogenität an. Entsprechend können auch ausgedehnte Zustände nur bei einer sehr geringen Anzahl an Drähten beobachtet werden. Damit dieses Verhalten also gezielt eingesetzt werden kann, müssen die Nanodrähte, welche ausgedehnte Zustände besitzen, reproduzierbar hergestellt werden können. Der letzte Teil der Arbeit behandelt das Emissionsverhalten von Polydiacetylen-Nanoröhrchen unter dem Einfluss einer Goldspitze. Diese besitzen aufgrund ihrer selbstorganisierten Anordnung eine hoch geordnete Struktur, womit auch das Verhalten gleicher Nanoröhrchen kaum divergiert. Hierbei existieren zwei Konformationen von Polydiacetylen, wobei die rote stark emittierend und die blaue dunkel ist. Deshalb versprechen die blauen Röhrchen energieeffizient beim Ladungstransport zu sein. Durch eine kontrollierte Manipulation der Umgebung mit der Goldspitze kann eine verstärkte Emission und eine Veränderung des Spektrums beobachtet werden, wobei diese auf spitzenverstärkte Ramanstreuung zurückgeführt werden kann.

Christoph Schnupfhagn
Four-wave mixing spectroscopy with shaped laser pulses
Masterarbeit, Bayreuth (2019), ERef

Lucas Ludwig
Modulationsspektroskopie einzelner Nanopartikel
Bachelorarbeit, Bayreuth (2019), ERef

2018

Fabian Paul
Antennen für plasmonische Wellenleiter
Bachelorarbeit, Bayreuth (2018), ERef

Julia Lang
Erzeugung der dritten Harmonischen in Metallfilmen : Einfluss der Dünnfilminterferenz
Bachelorarbeit, Bayreuth (2018), ERef

Fabian Rottmann
Kopplung von Quantenpunkten an plasmonische Wellenleiter
Bachelorarbeit, Bayreuth (2018), ERef

Hannah Bleiner
Aufbau eines Praktikumsversuchs zur dopplerfreien Sättigungsspektroskopie von Rubidium
Bachelorarbeit, Bayreuth (2018), ERef

Moritz Heindl
Aufbau und Charakterisierung eines Pulsformers
Masterarbeit, Bayreuth (2018), ERef

Patrick Pietsch
Entwicklung eines Faserinterferometers
Masterarbeit, Bayreuth (2018), ERef

Chiara Bauer
Hochauflösende Spektroskopie von Quantensystemen
Masterarbeit, Bayreuth (2018), ERef

Felix Baier
Resonanzfluoreszentspektroskopie an einzelnen Quantenpunkten
Bachelorarbeit, Bayreuth (2018), ERef

Jannik Kantelhardt
Spektroskopie der photoinduzierten Kraft zwischen plasmonischen Nanostrukturen
Bachelorarbeit, Bayreuth (2018), ERef

Heide-Maria Huber
Umgestaltung des Anfängerpraktium-Versuchs "Gekoppelte Pendel"
Masterarbeit, Bayreuth (2018), ERef

2017

Anna Ehrsam
Spektroskopie eines Goldnanopartikels auf einem Goldfilm
Bachelorarbeit, (2017), ERef

Sofie Krietenstein
Plasmonische Wellenleiter : Simulation und Experimente
Bachelorarbeit, (2017), ERef

Christian Dicken
Confocal Microscopy and Spectroscopy of Single Nanomagnets and Quantum Emitters
Dissertation, Bayreuth (2017) online, ERef, abstract: show

This thesis is embedded in the realm of single nanoparticle microscopy and spectroscopy. We combine confocal microscopy, ultrafast pulsed lasers and homodyne amplification to make the signature of single nanoparticles and quantum emitters visible. These techniques allow us to observe and manipulate the physical state of quantum dots on picosecond timescales, and we show that the spectral signatures found in our experiments compare well with what we expect from the dynamics of a three-level quantum emitter. These emitters are candidates as nodes of optical networks. Furthermore, we utilize homodyne amplification to analyze the magnetization of single nickel disks and develop a model that is able to predict the optical response of the disks when being embedded in the sample structure. The model allows us to separate the magnetic properties of the nanomagnets from the optical properties of the complete structure.

Julian Obermeier
Nonlinear spectroscopy of propagating surface plasmons
Masterarbeit, (2017), ERef

2016

Simon Streit
Leistungsstabilisierung und Modulation eines durchstimmbaren Lasersystems
Bachelorarbeit, (2016), ERef

Daniela Wolf
Optical Spectroscopy of Graphene and Gold Nanostructures
Dissertation, (2016) online, ERef, abstract: show

This thesis covers two prominent material systems in the still emerging field of nano-optics. On the one hand, we study the optical properties of graphene, from a general point of view as well as under symmetry breaking induced by strain. On the other hand, we make use of the plasmonic properties of gold nanostructures and investigate the generated nonlinear signals on a local scale. With both systems being promising candidates for nanophotonic applications, a spectroscopic investigation is of utmost importance to gain a deeper understanding of the interaction of these systems with light. Graphene’s band structure exhibits a saddle point, which gives rise to a unique optical response in the visible and ultraviolet wavelength regime. Assuming a discrete excitonic state in the vicinity of the saddle point, a classical Fano model based on interference between a continuum of states and the discrete state can be applied. It reproduces very well both lineshape and position of the measured spectrum even down to infrared wavelengths. After a discussion of the general optical properties, we study the influence of strain on graphene. Unlike most other modifications, strain breaks the symmetry of the lattice and the band structure and is hence predicted to induce profound changes in the optical spectrum. In addition to a study of the response considering different substrate materials, we introduce Raman spectroscopy as a reference measurement to reliably quantify the amount of strain applied to the graphene flakes. However, our thorough investigations indicate that the Fano resonance in graphene is very robust towards strain as we do not observe strain-induced changes in the optical spectrum. The second part of this thesis addresses the nonlinear optical properties of gold nanostructures. Whereas most investigations in nonlinear plasmonics focus on the enhancement of nonlinear processes and their spectral characteristics, we consider the spatial origin of the signals which is still under debate. Due to the coherence of the higher harmonics generation process, the third-harmonic emission from different emitting centers of a nanostructure interferes. In analogy to classical diffraction experiments, the interference pattern observed in the Fourier plane is very sensitive towards parameters such as separation and relative phase of the emitting spots. We use this method to accurately determine the high fields inside the nanostructures as the source of third-harmonic generation. Moreover, we show that the emission properties of an elongated plasmonic structure can be switched between a configuration with one emission spot in the center and a configuration with two spatially separated spots by slightly varying the excitation wavelength. Due to the third power dependence of the third-harmonic generation process, the near-fields generated in the vicinity of the particle switch accordingly. While assemblies of nanoparticles are commonly used to shape fields, we show that the local field can also be sculptured around a single, elongated nanostructure by taking higher-order plasmonic modes into account. This approach opens up a new direction for field shaping on the nanoscale.

Marvin Berger
Optical spectroscopy of single units of semiconductor nanocrystal aggregates
Masterarbeit, (2016), ERef

Laura Meißner
Charakterisierung von ein- und zweidimensionalen plasmonischen Wellenleitern
Masterarbeit, (2016), ERef

Jessica Koller
Ortsaufgelöste Spektroskopie dünner Farbstofffilme zur Kopplung an plasmonische Oberflächen
Masterarbeit, (2016), ERef

Matthias Brandstetter
Apertureless Scanning Nearfield Optical Microscopy with Ultra-high Temporal Resolution
Dissertation, Bayreuth (2016) online, ERef, abstract: show

By combining an apertureless scanning nearfield optical microscope (aSNOM) with a pump probe scheme, we create a novel experimental tool called pump probe apertureless scanning near field optical microscope (ppaSNOM), that combines a temporal resolution of 1ps with a spatial resolution of 20nm. This alloptical technique far below the diffraction limit of light allows to study ultrafast processes on the nano scale. As a proof of principle system we choose the mechanical oscillations exhibited by gold nano discs that are impulsively heated through a short pump pulse. First we provide the theoretical foundation needed to understand the optical and mechanical properties of gold nano particles. In particular we use a FEM solver to predict the mechanical properties as well as the field distributions of gold nano discs promising high signal contrast for the experiment operating at 800nm. Furthermore the absorption and scattering cross section calculated with the T-Matrix are used to derive the ideal sample structure. Before aSNOM and farfield pump probe scheme are combined, we characterize them separately. The aSNOM is an interferometric technique that collects light scattered of a dielectric AFM tip. It allows for the simultaneous acquistion of the sample topography, magnitude and phase of the z-component of the electrical nearfield with a spatial resolution of 20nm. The aSNOM measurements of a gold disc with 100nm radius and 50nm height reveal a dipolar plasmon resonance which agrees very well with FEM simulations. In a next step we apply the pump probe measurement scheme to gold nano discs. The impulsive heating of a gold nano disc through a short pump pulse starts mechanical oscillations in the disc. As the volume changes periodically, the optical properties are modulated by the mechanical mode. In this experiment we measure the transient transmission signal of an individual gold nano disc. Changing the delay between pump and probe reveals an oscillatory delay trace as expected. The data analyzation reveals a mechanical oscillation frequency of 10GHz which we can attribute to the first order breathing mode in agreement with FEM simulations. In a last step we combine the aSNOM with the pump probe scheme in order to create a tool with 1ps temporal and 20nm spatial resolution. As a proof of principle measurement we are looking for a pump induced perturbation of the nearfield signal. We use FEM calculations to simulate the 2D distribution of the nearfield perturbation which reveals a dipolar shape. The measurements of several gold discs show no differential nearfield response. Instead we see a ring like structure in the differential nearfield signal that overlaps with the AFM topography. We conclude that the ring structure is an AFM artefact and that our signal is buried in the noise floor. We use the measurement data to estimate an upper limit for the relative pump induced perturbation. The results agree with T-Matrix simulations which suggest that an increase in relative sensitivity by a factor of 10¯² is needed. By reaching the shot noise limit with our ppaSNOM and modifying certain aspects, the detection of timeresolved nearfield signals seems feasible. Some ideas for possible modifications to the ppaSNOM, such as an increase in collection efficiency of the objective or the replacement of the dielectric AFM tip by a metallic tip, are given in the end. Due to time constraints an implementation of the modifications was not possible.

Max Theisen
Aufbau und Anwendung eines Plusformers für ultrakurze Laserpulse
Bachelorarbeit, (2016), ERef

Johannes Weißert
Dispersionsrelation von Oberflächenplasmonen
Zulassungsarbeit, (2016), ERef

Michael Seidel
Entwurf, Herstellung und Charakterisierung eines plasmonischen Wellenleiters
Bachelorarbeit, (2016), ERef

Marco Klement
A fiber interferometer for near-field microscopy
Masterarbeit, (2016), ERef

Christoph Schnupfhagn
Interferenz nichtlinearer Emission von Gold-Nanostrukturen
Bachelorarbeit, (2016), ERef

2015

Jonas Jürgen Albert
Entwicklung und Aufbau eines optischen Nahfeldmikroskops
Masterarbeit, Bayreuth (2015), ERef

Alexander Neufeld
Characterization of two synchronized laser oscillators
Masterarbeit, (2015), ERef

Daniel Sommermann
Entwicklung von Goldspitzen für ein Rastersondenmikroskop
Bachelorarbeit, (2015), ERef

2014

Thorsten Schumacher
Optical Nanoantennas for Ultrafast Nonlinear Spectroscopy of Individual Nanosystems
Dissertation, Bayreuth (2014) online, ERef, abstract: show

Die Arbeit befasst sich mit der ultraschnellen nichtlinearen Dynamik verschiedener Prozesse in individuellen metallischen und halbleitenden Nanostrukturen, ohne die Mittlung über Ensembles. Nanoobjekte mit einer Größe von nur wenigen Nanometern zeigen außergewöhnliche lineare wie auch nichtlineare optische Eigenschaften. Die zeitabhänginge Abweichung von linearer Licht-Materie Wechselwirkung wird mittels ultraschneller nichtlinearer Spektroskopie untersucht, bei einer Zeitauflösung von weniger als einer Pikosekunde. In der Erforschung einzelner Nanoobjekte, wie Quantenpunkte, Moleküle oder Nanopartikel, ist das bereits schwache nichtlineare Signal von makroskopischer Materie weiter verringert. Optische Nanoantennen, bestehend aus plasmonischen Nanoobjekten, erhöhen lokal die Licht-Materie Wechselwirkung und bieten ein neues Hilfsmittel um zuvor unzugängliche Größen des Nanokosmos zu untersuchen. Die Entwicklung und Anwendung solcher Antennen zur Verstärkung ultraschneller nichtlinearer Signale von einzelnen Nanoobjekten soll erstmalig umgesetzt werden und erfordert hochsensitive experimentelle Methoden und eine gezielte Modellierung und Optimierung wobei numerischen Lösungsverfahren und Modellbildung zum Einsatz kommen. Im ersten Teil der Arbeit wird auf unsere Methode der hochsensitiven ’zeitabhängigen differenziellen Transmissions-Spektroskopie’ eingegangen, gefolgt von den Erweiterungen für zeitaufgelösten ’Einzelphotonen Photolumineszenz-Spektroskopie’ und ’Dunkelfeld-Spektroskopie’. Weiterhin bieten wir einen Überblick über die entwickelten und angewandten numerischen Modelle, welche als Basis unserer theoretischen Arbeit dienen. Im Besonderen wird ein Modell zur Vorhersage der polarisationsabhängigen Emission höherer Harmonischer von komplexen Nanostrukturen vorgestellt und diskutiert. Der nächsten Abschnitt befasst sich mit der erstmaligen Realisierung einer optischen Nanoantenne zur Verstärkung eines extrem schwachen nichtlinearen Signals. Zu diesem Zweck verwenden wir die zeitabhängige Modulation der optischen Eigenschaften eines einzelnen Gold-Nanopartikels, verursacht durch dessen mechanische Oszillationen. Die Antenne wird durch eine zweite, größere Nanostruktur realisiert und befindet sich im Abstand von nur wenigen Nanometern zum untersuchten Nanopartikel.Die Wechselwirkung zwischen beiden Nanoobjekten und die angestrebte Antennenverstärkung kann im Rahmen der Plasmonhybrisierung verstanden werden. Dabei wird das schwache, nichtlineare Signal des Nanopartikels auf das starke Trägersignal der Antenne moduliert. Wir bieten eine detaillierte Einführung in die theoretische Modellierung und experimentelle Analyse. Die gute Übereinstimmung bestätigt die Analogie zu bekannten Radiofrequenzantennen die bei niedereren Frequenzen arbeiten. Im Weiteren ermöglicht unsere hochsensible Methode zum ersten Mal die spektral aufgelöste Untersuchung von ultraschnellen Ladungsträgerdynamiken innerhalb quantisierter Zustände eines einzelnen CdSe Nanodrahtes. Wir messen das anregungsinduzierte Bleichen unterschiedlicher Exzitonenübergänge und erhalten Einsicht in zuvor versteckte Prozesse und Größen wie zum Beispiel die zeitabhängige Population verschiedener Zustände. Die beobachteten Phänomene spielen sich auf unterschiedlichen Zeitskalen ab und werden im Einzelnen diskutiert. Weiterhin finden wir Hinweise für Reabsorptionsprozesse von emittierten Photonen. Zuletzt untersuchen und diskutieren wir die Wechselwirkung zwischen einem einzelnen CdSe Nanodraht und einer plasmonischen Antenne. Der letzte Teil der Arbeit bietet eine allgemeine Diskussion von optischen Nanoantennen. Zu diesem Zweck verwenden wir einen Punkt-Dipol Ansatz auf Basis der ’Discrete Dipole Approximation’, um im Weiteren besonderen Wert auf die elementaren Wechselwirkungsmechanismen zwischen Nanopartikel und Antenne zu legen. Weiterhin erlaubt uns der stark reduzierte Rechenaufwand riesige, zuvor unzugängliche Parameterräume zu analysieren. Wir verwenden die Methode und diskutieren die relevanten Eigenschaften einer optischen Nanoantenne mit maximaler Effizienz. Mittels der Implementierung eines genetischen Algorithmus bieten wir einen ersten Schritt zum Auffinden optimaler Mehr-Teilchen Antennengeometrien.

Christoph Soldner
Hochgeschwindigkeitsdatenerfassung einer Zeilenkamera für ein Laserspektrometer
Bachelorarbeit, (2014), ERef

Julian Obermeier
Implementierung eines optisch- parametrischen Oszillators zur Anregungsspektroskopie
Bachelorarbeit, (2014), ERef

Christian Schörner
Schaltbare Wechselwirkung zwischen photochromen Dithienylethen und plasmonischen Nanostrukturen
Bachelorarbeit, (2014), ERef

Universität Bayreuth -