Nanofaser-basierte optische Schnittstelle für einzelne Farbstoffmoleküle in organischen Nanokristallen

Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersZsfassung in dt. SpracheIn dieser Arbeit wird die Herstellung und Verwendung von Farbstoff-dotierten organischen Kristallen für die nanofaserbasierte Einzelmolekülspektroskopie (engl. single molecule spectroscopy, SMS) bei kryogenen Temperaturen untersucht. Optische Nanofasern mit Durchmessern unterhalb der Wellenlänge des geführten Lichts weisen ein evanszentes Feld hoher Intensität auf, welches hohe Anregungs- und Fluoreszenzsammeleffizienzen für Moleküle nahe der Faseroberfläche ermöglicht. Die Nanofasern, die für die spektroskopischen Messungen in dieser Arbeit Verwendung finden, werden mittels Erhitzen und Ziehen aus optischen Glasfasern hergestellt. Die so erhaltenen, verjüngten optischen Fasern (engl. tapered optical fiber, TOF) haben Durchmesser unterhalb der Wellenlänge des geführten Lichts. Die Lichtführungseigenschaften solcher Nanofasern hängen kritisch von der geometrischen Form der Verjüngungsübergänge der TOF ab: solange die Verjüngung mit einem flachen Winkel erfolgt, sind Führungsverluste aufgrund von Kopplungen zwischen der Grundmode und höheren Moden vernachlässigbar und die Transmissionseigenschaften der Faser bleiben erhalten. Eine stabile Umgebung für das Molekül ist bei SMS wesentlich. Kristalle bieten hierbei das präferierte Wirtssystem, da sie eine hochgradig geordnete Struktur besitzen. Sie können auf verschieden Arten, wie Sublimation oder Wachstum aus übersättigter Lösung, hergestellt werden. Beide Methoden werden in dieser Arbeit für Terrylen-Moleküle in einem p-Terphenyl-Kristall angewandt, um möglichst kleine Kristalle mit niedriger Dotierung herzustellen. Die hergestellten Proben werden spektral und mit der Hilfe eines Rasterelektronenmikroskopes für die Eignung zur Verwendung mit TOFs untersucht. Nach der Herstellung und Deponierung von Kristallen mit entsprechender Größe auf der TOF werden die Proben in einem Flüssig-Helium-Badkryostaten auf Temperaturen von 4.4 K gekühlt, bei der die Phononenübergänge in der Probe stark reduziert sind. Alle weiteren Molekülspektroskopie-Experimente werden bei dieser Temperatur durchgeführt. Die Fluoreszenz des molekularen Ensembles und die vibronischen Übergänge von Terrylen werden mittels Fluoreszenzanregungsmessungen untersucht. Um mit einem einzelnen Molekül zu interagieren muss es vom Ensemble unterscheidbar sein. Die durch den Kristall bewirkte inhomogene Verbreiterung ermöglicht es, einzelne Moleküle mit einem schmalbandigen Laser spektral auszuwählen. Ein einzelnes Molekül kann einwandfrei mittels seiner Fluoreszenz-Autokorrelationsfunktion identifiziert werden und Messungen der spektralen Stabilität zeigen, ob das Molekül für Langzeit-Messungen geeignet ist. Stabile Moleküle werden mit Hilfe von Fluoreszenzspektroskopie und Fluoreszenz-Autokorrelationsmessungen untersucht. Dies erlaubt eine weitere Beurteilung der hergestellten Kristallproben bezüglich ihrer Eignung für SMS mittels einer TOF.In this thesis, the manufacturing and use of dye-doped organic crystals for nanofiber-based single molecule spectroscopy (SMS) at cryogenic temperatures is studied. Optical nanofibers with sub-wavelength diameters provide a high intensity evanescent field, which allows high excitation and emission collection efficiencies for molecules close to the fiber surface. The nanofibers used for spectroscopic measurements in this work are produced from standard optical glass fibers via flame pulling, resulting in a sub-wavelength diameter waist of a tapered optical fiber (TOF). The light transmission characteristics of such a nanofiber depend critically on the geometrical shape of the TOF transitions: as long as the fiber taper is kept shallow, losses due to coupling from the fundamental to higher order modes are negligible and the transmission properties of the fiber are maintained. When an external object is interfaced with the TOF, the size has to be small enough that the evanescent field suffers only small disturbances and the light guiding abilities of the optical fiber are maintained. For SMS a stable environment of the molecule is essential. Since they are highly ordered, crystals offer the most favorable host system. They can be manufactured by various methods such as sublimation or growth from solution. These methods are employed here for terrylene molecules in a p-terphenyl crystal to create small crystals with a low dopant concentration. The resulting samples are examined spectrally and with the help of a scanning electron microscope for their applicability with TOFs. After the manufacturing and deposition of proper sized doped crystals on the TOF, the samples are cooled down in a liquid helium bath cryostat to a temperature of 4.4 K, where the phonon transitions within the sample are highly reduced. All further molecule spectroscopy experiments are conducted at this temperature. The fluorescence of the molecular ensemble is investigated and the vibronic transitions of terrylene are revealed by fluorescence excitation measurements. To address a single molecule, it has to be distinguished from the ensemble. The crystal provides some inhomogeneous broadening which allows to spectrally select a single molecule using a narrowband laser. A single molecule is clearly identified by means of its fluorescence autocorrelation function and measurements of the spectral stability show, if the molecule is suited for long time measurements. Stable molecules are investigated by fluorescence spectroscopy and fluorescence intensity autocorrelation measurements. This allows a further evaluation of the manufactured crystal samples and their usability for SMS with a TOF.12

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