Optische Charakterisierung von Hybridsystemen aus Gold Nanopartikeln und Farbstoffmolekulen
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Fluoreszenz von Hybridsystemen aus Gold Nanopartikeln und Farbstoffen zeitlich und spektral aufgel\xf6st untersucht. Neben einer ultraschnellen Fluoreszenzemission, welche direkt von den Gold Nanopartikeln stammt, wurde insbesondere die dipolinduzierte Ausl\xf6schung der Fluoreszenz von Farbstoffen, welche auf der Partikeloberfl\xe4che chemisch gebunden sind, als Funktion der Partikelgr\xf6\xdfe und des Molek\xfclabstandes untersucht. \nHierzu wurden f\xfcr drei verschiedene Farbstoffe Serien von Hybridsystemen hergestellt, in denen stets nur ein Parameter, n\xe4mlich die Nanopartikelgr\xf6\xdfe oder der Abstand des Farbstoffes, systematisch \xfcber eine Gr\xf6\xdfenordnung ge\xe4ndert wird. \n\nDie experimentell bestimmten Transienten der Hybridsysteme zeigen, dass bereits die kleinsten Nanopartikel mit einem Radius von nur 1 nm die Quanteneffizienz bei einem Farbstoffabstand von 1 nm um 99,8 % verringern k\xf6nnen. Des Weiteren wird nachgewiesen, dass die Quanteneffizienz der Farbstoffe sogar bis zu Abst\xe4nden von 16 nm noch um \xfcber 50 % gesenkt ist. Eine derart hohe Ausl\xf6schungseffizienz wird in Energie-Transfer Systemen, welche nur aus organischen Farbstoffen bestehen, nicht erreicht. Gold Nanopartikel sind damit in der Tat viel versprechende Energieakzeptoren f\xfcr eine zuk\xfcnftige Generation von Nanosensoren.\n\nIn dieser Arbeit kann zum ersten Mal die Ursache der effizienten Fluoreszenzausl\xf6schung durch Gold Nanopartikel anhand der experimentellen Bestimmung der strahlenden und nichtstrahlenden Zerfallskan\xe4le des Hybridsystems nachgewiesen werden. Sie resultiert aus einem strahlungslosen Energie-Transfer zum Partikel und einer gleichzeitigen Absenkung der strahlenden Rate des Farbstoffs. \n\nDie experimentell ermittelten strahlenden und nichtstrahlenden Raten der Hybridsysteme werden mit Modellrechnungen nach Gersten und Nitzan verglichen. Es zeigt sich, dass bei konstantem Molek\xfclabstand, aber unterschiedlichen Partikelgr\xf6\xdfen, eine qualitative \xdcbereinstimmung der Messergebnisse mit den Modellvorhersagen vorliegt, die absoluten Energie-Transfer Raten sich jedoch um zwei Gr\xf6\xdfenordnungen unterscheiden. Die Abweichung von den experimentellen Ergebnissen wird auf das Vorhandensein nichtlokaler Effekte zur\xfcckgef\xfchrt, welche im Modell nicht ber\xfccksichtigt, aber von aufwendigeren Modellierungen vorhergesagt werden. \n\nBereits ohne oberfl\xe4chengebundene Farbstoffe zeigen die experimentellen Ergebnisse eine Photonenemission aus Gold Nanopartikeln. Die Emission ist in ihrer spektralen Form der Plasmonresonanz sehr \xe4hnlich und weist ebenfalls eine mit zunehmender Partikelgr\xf6\xdfe charakteristische Rotverschiebung auf. Gold Nanopartikel mit Radien von 1 \u2013 30 nm zeigen, dass die Quanteneffizienz der Emission unabh\xe4ngig von der Partikelgr\xf6\xdfe ist. Die quantitative sehr gute \xdcbereinstimmung der Messergebnisse mit Modellrechnungen nach Shabhazyan et al. erlaubt zum ersten Mal eine mikroskopische Erkl\xe4rung der verantwortlichen physikalischen Prozesse f\xfcr die beobachtete Fluoreszenz. Sie wird als der strahlende Zerfall eines Partikelplasmons identifiziert: In den Gold Nanopartikeln rekombinieren optisch generierte d-Bandl\xf6cher strahlungslos mit sp-Bandelektronen und emittieren dabei ein Partikelplasmon. Die Rate der Plasmonemission sinkt mit dem Volumen des Nanopartikels. Die Wahrscheinlichkeit dieser generierten Plasmonoszillation, strahlend via Photonenemission zu zerfallen, steigt wiederum mit dem Partikelvolumen. Die Quanteneffizienz des gesamten Prozesses ist daher unabh\xe4ngig von der Partikelgr\xf6\xdfe. Sie ist um vier Gr\xf6\xdfenordnungen \xfcber derjenigen einer direkten Aussendung eines Photons durch Rekombination von d-Bandl\xf6chern mit sp-Bandelektronen an Goldfilmen. Der Grund liegt in der weitaus st\xe4rkeren Polarisierbarkeit und entsprechend h\xf6heren strahlenden Rate des Partikelplasmons gegen\xfcber einzelnen Elektron-Loch Paaren.