Herstellung substratgestützter, nanoporöser Aluminiumoxid-Template und ihre Anwendung für die Präparation von hocheffizienten SERS-Substraten

Nanostrukturen aus Gold und Silber haben sich als hochwirksame Substrate für die Oberflächenverstärkte Ramanspektroskopie (Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS) erwiesen. Die hohe Verstärkung des elektromagnetischen Felds an solchen Strukturen erlaubt es, adsorbierte Moleküle in sehr geringer Konzentration bis hin zu einem Einzelmolekül mittels Ramanspektroskopie nachzuweisen und zu charakterisieren. Die praktische Umsetzung zu SERS-basierten Sensoren ist jedoch dadurch erschwert, dass es noch keine einfache und kostengünstige Herstellungsmethode von großflächig geordneten, nanostrukturierten Substraten mit hohen und reproduzierbaren Raman-Verstärkungsfaktoren gibt. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Anfertigung von Edelmetallnanostrukturen mittels Templateverfahren und deren Verwendung als SERS-Substrate. Im ersten Teil der Arbeit wurde das Verfahren zur Herstellung von Templaten aus anodischem Aluminiumoxid (AAO) untersucht und weiterentwickelt. Durch Anodisierung von hochreiner Al-Folie entstand eine dünne Schicht aus AAO-Nanoporen, die anschließend vom Al-Rest befreit wurde. Die 10 bis 40 μm dicken AAO-Membrane wurden nach weiteren Vorbereitungsschritten (Öffnen der Poren, einseitiges Metallisieren und Verstärken) als Template für die elektrochemische Abscheidung von Gold- und Silber-Nanodrähten eingesetzt. Der zentrale Nachteil der Verwendung von freien AAO-Membranen für die Erzeugung metallischer Nanostrukturen ist der mühsame und langwierige Herstellungsprozess. Es kommt hinzu, dass Nanomaterialien mit hohen Formfaktoren beim Freilegen mechanisch kollabieren können. Eine bessere Alternative zu den freien Membranen sind “substratgestützte” AAO-Template. Für ihre Herstellung wurden zunächst umfangreiche Arbeiten zwecks Optimierung der Herstellungsbedingungen der Multischichten aus Gold, Titan und Aluminium mit Gasphasenabscheidung (PVD) auf dem gewünschten Substrat durchgeführt. Die Au- und Ti-Schichten wurden im hochfrequenten Modus bei optimalen Ar-Partialdrücken und Abscheideraten gesputtert. Aluminium wurde mit dem Elektronenstrahlaufdampfverfahren abgeschieden. Die Herstellung erfolgte sukzessiv ohne Unterbrechung des Vakuums. Die Goldschicht an der Unterseite der Nanoporen bildet den elektrischen Kontakt für die nachfolgende Anodisierung und im weiteren Verlauf für die elektrochemische Abscheidung der Nanodrähte. Die Ti-Schichten zwischen Substrat und Au, bzw. zwischen Au und Al, dienen der Schichtadhäsion. Die paarweise Haftung der Multischichten, die Topographie und die innere Struktur entscheiden, ob und zu welchem Grad die Al-Schicht anodisiert werden kann, sowie über die Qualität und die Stabilität der Template während der weiteren Herstellungsschritte. Mit glatten und gut haftenden Al-Schichten konnten durch Anodisierung erfolgreich breitflächige Template (bis zu 100 cm²) auf Glas- oder Si-Substraten angefertigt werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden robuste und stabile SERS-Substrate mit hohen und reproduzierbaren Verstärkungsfaktoren präpariert. Sowohl freie als auch substratgestützte AAO-Template wurden für die elektrochemische Abscheidung von Gold- und Silber-Nanodrähten eingesetzt. Zusätzlich zum quasi-eindimensionalen (1D) Wachstum von Gold und Silber in den Poren konnte die Morphologie der Au- und Ag-Nanodrähte durch die Modifizierung der elektrochemischen Abscheidebedingungen kontrolliert werden. Dadurch konnte ein Übergang von eindimensionaler zu mehrdimensionaler Architektur der Nanodrähte erreicht werden, einschließlich der Ausformung von Spitzen und der Bildung von Verzweigungen. Mit diesen komplexen Au- und Ag-Nanostrukturen konnten Raman-Bänder von Rhodamin 6G um Faktoren bis zu 10^9 und 10^12 verstärkt werden. Speziell die Lücken zwischen den einzelnen Zweigen bzw. die Spitzen der Nanodrähte wirken als sogenannte „Hot Spots“. Die starke Konzentration der Hot Spots an der Oberfläche führt zu den gigantisch hohen Verstärkungsfaktoren

Interfacial effects on the polarization of BiFeO3BiFeO_{3} films

By considering an interfacial layer between the electrode and the $BiFeO_{3}$($BFO$) layer, the polarization and the hysteresis behavior of $BFO$ film are simulated. It is found that the non-ferroelectric interface will increase the coercive field, and remarkably suppress the polarization of the ultrathin film under low applied fields. Due to the competition between the interfacial effect and the internal compressive stress, the maximum polarization on the P-E loop of a $BFO$ film can be independent on the film thickness under an adequate applied field.Comment: 3 pages, 2 figure

Self-standing corrugated Ag and Au-nanorods for plasmonic applications

We use home-made Si-supported anodized alumina thin film templates for the electrodeposition of large area self-standing Ag- and Au-nanorod (Au-NR) arrays. The deposition conditions chosen, i.e. electrolyte composition and deposition voltage, lead to a corrugated rod morphology, particularly for Au-NRs. Instantaneous nucleation followed by diffusion-controlled growth are thought to be the dominating mechanism for the morphology observed. Diffuse reflectance spectra show specific behaviours of Ag- and Au-NRs with longitudinal and transverse plasmon resonance modes and additional modes for Ag-NRs. The activity of the NR arrays as substrates for molecular detection using Raman scattering and Rhodamine 6G (R6G) as a model dye strongly depends on noble metal. R6G concentrations down to 1 pM are detected on the corrugated arrays yielding an effective enhancement factor (EF) of approximately 2 × 1010 for Ag-NRs and 1 × 109 for Au-NRs. The latter is the highest ever obtained for Au-nanostructures. Both nanostructures provide an enhancement that is high enough to detect single molecules using Raman scattering. The results are rationalized in terms of morphology effects on electromagnetic field intensity. © 2011 The Royal Society of Chemistry

On-substrate, self-standing Au-nanorod arrays showing morphology controlled properties

We use supported alumina templates and electrodeposition to fabricate self-standing Au-nanorods (Au-NR) arrays. Depending on electrolyte and deposition conditions two different NR morphologies with either corrugated or smooth topologies are fabricated. We show that the properties of the NR arrays, including amphiphilic and optical, very much depend on their morphology. Smooth NR arrays are hydrophobic while the corrugated ones are hydrophilic. Also the optical reflectance, though it shows plasmon resonances at very similar wave lengths, is much lower for the corrugated NR arrays. The activity of the NR arrays as substrates for molecular detection using Raman scattering, and Rhodamine 6G (R6G) as model dye, also strongly depends on their morphology. R6G concentrations down to 1 pM are detected on the corrugated arrays yielding an effective enhancement factor (EF) of approximately 1 × 109. In contrast an over-estimated (because of their hydrophobic character) EF of 6 × 106 is obtained for the smooth NR arrays. © 2010 Elsevier Ltd

Synthesis and magnetic properties of tin spinel ferrites doped manganese

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Composite (La0.45Nd0.25)Sr0.3MnO3/5CuO materials for magnetic refrigeration applications

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