Plasmonic Superstructures via Self-Assembly of Colloidal Building Blocks

Titelangaben

Honold, Tobias:
Plasmonic Superstructures via Self-Assembly of Colloidal Building Blocks.
Bayreuth , 2018 . - XI, 163 S.
( Dissertation, 2017 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The cost-efficient fabrication of plasmonic superstructures is a key challenge for the development of optoelectronic devices. This thesis is focused on the preparation of such superstructures via self-assembly of colloidal building blocks. In order to integrate plasmonic superstructures into optoelectronic devices, organic thin film solar cells are selected as a model system. Additionally, a brief theoretical background on the localized surface plasmon resonance, self-assembly of soft particles, image analysis, and thin film solar cells is provided. Polymer-encapsulated gold nanoparticles are used as colloidal building blocks for plasmonic superstructures. The nanoparticles are encapsulated by non-cross-linked or cross-linked poly(N-isopropylacrylamide) shells. The shell thickness of the polymer-encapsulated gold nanoparticles is tunable from a few tens up to several hundreds of nanometers. Further modification of the gold nanoparticles is carried out by seed-mediated core overgrowth. The particles are overgrown with spherical gold or silver shells leading to superior optical properties. The synthetic protocol allows for size-controlled overgrowth of the particles up to a final particle diameter of 100 nm and produces neither secondary nucleation nor strongly anisotropic particle shapes. Thus, four key parameters are available for the design of colloidal core-shell building blocks for plasmonic superstructures: size and composition of the plasmonic core as well as thickness and architecture of the polymer shell. Using these parameters, a library of polymer-encapsulated gold nanoparticles is produced for self-assembly. Focusing on interface-mediated self-assembly, plasmonic superstructures of polymer-encapsulated gold nanoparticles are prepared and collected on solid, cm-scale supports. By this process, hexagonally ordered plasmonic monolayers with exceptional long-range order are obtained. Atomic force microscopy measurements at multiple positions of the substrate reveal almost identical interparticle distances and particle densities, independent of size or composition of the plasmonic core. UV-Vis spectroscopy, also performed at multiple locations, highlights the optical homogeneity of the plasmonic monolayers making them perfectly suitable for organic thin film solar cell devices. Plasmonic monolayers are systematically deposited at different interfaces of solar cell devices. Current-voltage measurements demonstrate that all plasmonic devices are fully operational. If the monolayer is located at any location underneath the active layer of the device, parasitic light absorption limits the efficiency of the device. This effect is most pronounced for monolayers with large gold nanoparticles. However, plasmonic monolayers improve the efficiency of space-charge limited solar cell devices considerably. Once the monolayer is located above the photoactive layer of a solar cell, near the metal electrode, it acts as a light redistributing element. Thus, photo-generated charge carriers near the metal electrode increase the photocurrent of the device. Further research investigates plasmonic superstructures beyond hexagonally ordered monolayers. Binary honeycomb structures are fabricated by the sequential double self-assembly of two hexagonally ordered monolayers on the same solid substrate. Each monolayer was prepared by interface-mediated self-assembly of polymer-encapsulated nanoparticles with either gold or silver cores. Elemental mapping unravels the exact location of each core in the honeycomb structure with submicron resolution. The outcomes of this work are relevant for future applications such as sensors, nanolasers, and solar cells that rely on cost-efficient, optically homogeneous plasmonic superstructures.

Abstract in weiterer Sprache

Die kostengünstige Herstellung von plasmonischen Überstrukturen ist essentiell für die Entwicklung von optoelektronischen Bauteilen. Ziel dieser Arbeit ist es, solche Überstrukturen durch kolloidale Selbstas- semblierung zu erzeugen. Anschließend werden die Überstrukturen in organische Dünnschichtsolarzel- len integriert, welche als Modellsystem für optoelektronische Bauteile dienen. Weiterhin werden kurz die Grundlagen der Partikelplasmonresonanz, Selbstanordnung von weichen Partikeln, Bildanalyse und Dünnschichtsolarzellen erläutert. Für die Herstellung von plasmonischen Überstrukturen werden Goldnanopartikel als kolloidale Bausteine verwendet. Die Nanopartikel werden mit einer Polymerschale aus quervernetztem oder nicht-quervernetztem Poly(N-isopropylacrylamid) umhüllt. Dabei kann die Schalendicke von einigen zehn bis mehren hundert Nanometern variiert werden. Des Weiteren werden die Goldnanopartikel mit sphärischen Gold- oder Silberschalen überwachsen, wodurch sich die optischen Eigenschaften der Partikel außerordentlich verbessern. Das größenkontrollierte Überwachsen ermöglicht Kerngrößen von bis zu 100 nm, wobei weder Sekundärnukleation noch stark anisotrope Partikelformen entstehen. Daraus ergeben sich vier essentielle Parameter für das Design von kolloidalen Kern-Schale Bausteinen für plasmonische Überstrukturen: Größe und Zusammensetzung des plasmonischen Kerns, sowie Schalenarchitektur und Schalendicke der Polymerschale. Plasmonische Überstrukturen werden durch Selbstanordnung der kolloidalen Bausteine an der Wasser/Luft Grenzfläche erzeugt und auf feste cm-große Substrate übertragen. Untersuchungen mittels Rasterkraftmikroskopie zeigen hexagonal geordnete Monolagen mit außergewöhnlicher Fernordnung. Aus Messungen an verschiedenen Positionen des Substrates wird deutlich, dass der Abstand zwischen den einzelnen Kolloiden der Monolage, sowie die Partikeldichte nahezu identisch sind – unabhängig von Größe und Zusammensetzung des plasmonischen Kerns. Folglich verfügen die Monolagen über eine exzellente optische Homogenität, was durch UV-Vis Spektroskopie, ebenfalls gemessen an verschiedenen Positionen, gezeigt werden kann. Somit sind die plasmonischen Monolagen bestens geeignet für organische Dünnschichtsolarzellen. Plasmonische Monolagen werden systematisch an verschiedene Grenzflächen einer Solarzelle integriert. Strom-Spannungs-Kennlinien zeigen, dass alle plasmonischen Solarzellen vollständig funktionsfähig sind. Allerdings wird der Wirkungsgrad der Solarzellen durch parasitäre Lichtabsorption der Monolage verringert. Dieser Effekt ist am stärksten ausgeprägt für Monolagen, welche sich an beliebigen Grenzflächen unterhalb der aktiven Schicht der Solarzelle befinden. Jedoch führen plasmonische Monolagen zu einer erheblichen Leistungssteigerung in raumladungslimitierten Solarzellen. Befindet sich eine plasmonische Monolage oberhalb der aktiven Schicht, nahe der Metallelektrode, so wirkt die Monolage wie ein Licht umverteilendes Element. Dadurch entstehen photogenerierte Ladungsträger nahe der Metallelektrode, welche den Photostrom der Solarzelle erhöhen. Weiterhin werden in dieser Arbeit plasmonische Überstrukturen jenseits von hexagonalen Monolagen untersucht. Die sequentielle Selbstassemblierung von zwei hexagonalen Monolagen auf das Gleiche Substrat erzeugt binäre Bienenwabenstrukturen. Die einzelnen Monologen der Bienenwabenstruktur wurden zuvor durch Selbstassemblierung an der Wasser/Luft Grenzfläche erzeugt. Dafür wurden kolloidale Bausteine verwendet, die entweder einen Gold- oder Silberkern besaßen. Anschließend kann durch Element-Mapping die exakte Position der Kerne in der Bienenwabenstruktur mit submikrometergenauer Auflösung bestimmt werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind relevant für zukünftige Anwendungen im Bereich der Sensorik, Na- nolaser oder Solarzellen, welche auf kostengünstige, optisch homogene plasmonische Oberflächen an- gewiesen sind.