Bending and positioning of nanoparticles with light

Die Wechselwirkung von Nanopartikeln mit Licht ist seit Jahrzehnten ein intensives Forschungsgebiet im Bereich der Nanowissenschaften. Dabei rücken insbesondere Methoden die es erlauben einzelne Nanopartikel mit Licht zu verändern und präzise zu positionieren immer mehr in den Fokus des wissenschaftlichen Interesses. Eine der größten Herausforderungen in diesem Zusammenhang ist es, neue und zuverlässige Wege zu finden, um einzelne Nanopartikel mit hoher Kontrolle zeitlich und räumlich exakt zu manipulieren. Zwei Beispiele, nämlich die Möglichkeit der kontrollierten Deformation einzelner Gold-Nanostäbchen mit Licht und die Verwendung plasmonischer Nanoantennenfelder für das optische Einfangen von Nanoobjekten mit hoher lateraler Präzession werden im Rahmen dieser Arbeit präsentiert. Zunächst wurde untersucht, wie einzelne Gold-Nanostäbchen in Lösung mit Licht durch eine Kombination aus plasmonischem Heizen und der Wechselwirkung von optischen und hydrodynamischen Kräften in eine V-Form gebogen werden können. Dabei kann der Biegewinkel in Abhängigkeit der verwendeten Laserintensität kontrolliert werden. Derartige V-förmige Nanoantennen aus Gold haben ein großes Anwendungspotential bei der Herstellung von Metamaterialien. Die Möglichkeit einzelne, V-förmige Nanostäbchen mit Licht zu positionieren und auf einem Substrat zu orientieren ist eine Grundvorausetzung zur Verwirklichung derartiger Oberflächen und wurde in dieser Arbeit näher untersucht. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Eigenschaft von plasmonisch gekoppelten Nanoantennen, Licht in ein kleines Volumen zu bündeln ausgenutzt, um das optische Einfangen von Nanoobjekten auf plasmonischen Oberflächen zu ermöglichen. Mikro-nanostrukturierte Anordnungen von Gold-Nanodreiecken wurden durch eine Kombination aus kolloidaler Lithographie und Plasmabehandlung hergestellt. Die Anwendbarkeit dieser Nanoantennenstrukturen für das optische Einfangen von Siliziumdioxid-Partikeln wurde erforscht und die Abhängigkeit der Partikelgröße von der Nanoantennengeometrie genau untersucht. Als Erweiterung dieses Verfahrens wurde eine Kombination aus optischer Nah- und Fernfeldfalle angewendet, um einzelne Nanoobjekte wie Goldnanopartikel und Nanodiamanten präzise an einzelnen plasmonischen „Hot -Spots“ mit einer Genauigkeit von wenigen Nanometern exakt zu positionieren.Exploiting the interaction of nanoparticles with light has been a vivid area of research in nanoscience for decades. Recently, the possibility of transforming and precisely positioning nano-objects with light has increasingly come into focus. One of the biggest challenges in this regard is finding new and robust ways of manipulating single nanoparticles with high spatio-temporal control. Two methods of addressing this demanding task - namely controlling the melting and shape transformations of individual gold nanorods, and the use of plasmonic nanoantenna arrays for the enhanced optical trapping of nano-sized objects - are the subject of this thesis. First, individual gold nanorods in a solution can be bent into a V-shaped geometry upon laser irradiation through a combination of plasmonic heating, optical forces, and hydrodynamic interactions. The bending angle can be controlled within small margins by adjusting the laser intensity. Such V-shaped antennas hold great application potential for the design of metasurfaces if the precise alignment of individual antennas on a flat surface is achieved. To work toward this application, a method for optically printing and orienting bent nanorods on a surface with respect to the laser power density and polarization is presented. Second, the ability of plasmonically coupled nanostructures or nanoantennas to concentrate light into a small volume is employed for the enhanced near-field trapping of nanosized objects at plasmonic interfaces. Micro-nanopatterned arrays of plasmonic nanoantennas were synthesized via plasma-enhanced colloidal lithography. The applicability of these nanoantenna arrays for the near-field trapping of silica beads with respect to the antenna geometry and the irradiation intensities was investigated. In an extension of this general approach, a combination of optical far-field and near-field trapping was used to actively deliver individual nano-objects, such as gold nanoparticles or nanodiamonds, precisely to individual plasmonic “hot spots” with the accuracy of a few nanometers

Bending and positioning of nanoparticles with light

Die Wechselwirkung von Nanopartikeln mit Licht ist seit Jahrzehnten ein intensives Forschungsgebiet im Bereich der Nanowissenschaften. Dabei rücken insbesondere Methoden die es erlauben einzelne Nanopartikel mit Licht zu verändern und präzise zu positionieren immer mehr in den Fokus des wissenschaftlichen Interesses. Eine der größten Herausforderungen in diesem Zusammenhang ist es, neue und zuverlässige Wege zu finden, um einzelne Nanopartikel mit hoher Kontrolle zeitlich und räumlich exakt zu manipulieren. Zwei Beispiele, nämlich die Möglichkeit der kontrollierten Deformation einzelner Gold-Nanostäbchen mit Licht und die Verwendung plasmonischer Nanoantennenfelder für das optische Einfangen von Nanoobjekten mit hoher lateraler Präzession werden im Rahmen dieser Arbeit präsentiert. Zunächst wurde untersucht, wie einzelne Gold-Nanostäbchen in Lösung mit Licht durch eine Kombination aus plasmonischem Heizen und der Wechselwirkung von optischen und hydrodynamischen Kräften in eine V-Form gebogen werden können. Dabei kann der Biegewinkel in Abhängigkeit der verwendeten Laserintensität kontrolliert werden. Derartige V-förmige Nanoantennen aus Gold haben ein großes Anwendungspotential bei der Herstellung von Metamaterialien. Die Möglichkeit einzelne, V-förmige Nanostäbchen mit Licht zu positionieren und auf einem Substrat zu orientieren ist eine Grundvorausetzung zur Verwirklichung derartiger Oberflächen und wurde in dieser Arbeit näher untersucht. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Eigenschaft von plasmonisch gekoppelten Nanoantennen, Licht in ein kleines Volumen zu bündeln ausgenutzt, um das optische Einfangen von Nanoobjekten auf plasmonischen Oberflächen zu ermöglichen. Mikro-nanostrukturierte Anordnungen von Gold-Nanodreiecken wurden durch eine Kombination aus kolloidaler Lithographie und Plasmabehandlung hergestellt. Die Anwendbarkeit dieser Nanoantennenstrukturen für das optische Einfangen von Siliziumdioxid-Partikeln wurde erforscht und die Abhängigkeit der Partikelgröße von der Nanoantennengeometrie genau untersucht. Als Erweiterung dieses Verfahrens wurde eine Kombination aus optischer Nah- und Fernfeldfalle angewendet, um einzelne Nanoobjekte wie Goldnanopartikel und Nanodiamanten präzise an einzelnen plasmonischen „Hot -Spots“ mit einer Genauigkeit von wenigen Nanometern exakt zu positionieren.Exploiting the interaction of nanoparticles with light has been a vivid area of research in nanoscience for decades. Recently, the possibility of transforming and precisely positioning nano-objects with light has increasingly come into focus. One of the biggest challenges in this regard is finding new and robust ways of manipulating single nanoparticles with high spatio-temporal control. Two methods of addressing this demanding task - namely controlling the melting and shape transformations of individual gold nanorods, and the use of plasmonic nanoantenna arrays for the enhanced optical trapping of nano-sized objects - are the subject of this thesis. First, individual gold nanorods in a solution can be bent into a V-shaped geometry upon laser irradiation through a combination of plasmonic heating, optical forces, and hydrodynamic interactions. The bending angle can be controlled within small margins by adjusting the laser intensity. Such V-shaped antennas hold great application potential for the design of metasurfaces if the precise alignment of individual antennas on a flat surface is achieved. To work toward this application, a method for optically printing and orienting bent nanorods on a surface with respect to the laser power density and polarization is presented. Second, the ability of plasmonically coupled nanostructures or nanoantennas to concentrate light into a small volume is employed for the enhanced near-field trapping of nanosized objects at plasmonic interfaces. Micro-nanopatterned arrays of plasmonic nanoantennas were synthesized via plasma-enhanced colloidal lithography. The applicability of these nanoantenna arrays for the near-field trapping of silica beads with respect to the antenna geometry and the irradiation intensities was investigated. In an extension of this general approach, a combination of optical far-field and near-field trapping was used to actively deliver individual nano-objects, such as gold nanoparticles or nanodiamonds, precisely to individual plasmonic “hot spots” with the accuracy of a few nanometers

Bending Gold Nanorods with Light

V-shaped gold nanoantennas are the functional components of plasmonic metasurfaces, which are capable of manipulating light in unprecedented ways. Designing a metasurface requires the custom arrangement of individual antennas with controlled shape and orientation. Here, we show how highly crystalline gold nanorods in solution can be bent, one-by-one, into a V-shaped geometry and printed to the surface of a solid support through a combination of plasmonic heating and optical force. Significantly, we demonstrate that both the bending angle and the orientation of each rod-antenna can be adjusted independent from each other by tuning the laser intensity and polarization. This approach is applicable for the patterning of V-shaped plasmonic antennas on almost any substrate, which holds great potential for the fabrication of ultrathin optical components and devices