Spektromikroskopische Untersuchungen dünner Porphyrinschichten und deren Einfluß auf plasmonische Anregungen in Silberstrukturen mit Mehr-Photonen-Photoemission
In der vorliegenden Arbeit werden dünne Porphyrinschichten und plasmonische Silberstrukturen
mitMehr-Photonen-Photoemissionselektronenmikroskopie (nP-PEEM) untersucht. Der
erste Teil der Arbeit befaßt sich mit optischen und elektronischen Eigenschaften dünner
Porphyrinschichten in Abwesenheit plasmonischer Anregungen. In elektronenspektroskopischen
Untersuchungen der Mehr-Photonen-Photoemission (nPPE) dieser Schichten ergeben
sich Energieverteilungen der Photoelektronen, die sich nicht in einem traditionellen Modell
erklären lassen, welches auf Untersuchungen mit Ultraviolett-Photoemissionsspektroskopie
(UPS) basiert. Aufbauend auf den Ergebnissen aus energie-, zeit- und ortsaufgelösten nPPEUntersuchungen
der Porphyrinschichten wird ein alternatives Modell entwickelt, das eine
konsistente Beschreibung der komplexen elektronischen Anregungs- und Relaxationsprozesse
innerhalb der Schicht ermöglicht.
Der zweite Teil der Arbeit hat plasmonische Anregungen in Silberstrukturen zum Thema. Dabei
werden sowohl rein plasmonische Anregungen als auch Plasmon-Exziton-Wechselwirkungen
in Porphyrin/Silber-Hybridstrukturen untersucht. Propagierende Oberflächenplasmonen
werden mit nP-PEEM auf einer ausgedehnten Silberinsel abgebildet. Eine Auswertung des
im PEEM-Bild beobachteten Interferenzmusters, welches durch Überlagerung des plasmoninduzierten
elektrischen Nahfeldes mit dem elektrischen Feld der anregenden Laserstrahlung
entsteht, ermöglicht es, die Dispersion des Oberflächenplasmons auf der Silberoberfläche zu
bestimmen. Mit der gleichen Methode wird der Einfluß einer dünnen Porphyrinschicht auf die
Plasmonendispersion untersucht. Der Verlauf der Dispersionskurve weicht für Anregungswellenlängen
in der Nähe der molekularen Soret-Bande vom Verlauf für eine rein plasmonische
Anregung ab, was einer Kopplung des Oberflächenplasmons mit der exzitonischen Anregung
in der Porphyrinschicht zugeschrieben wird.
Lokalisierte Oberflächenplasmonen (LSP) werden mit nP-PEEM auf Silbernanopartikeln
untersucht. Dazu wird eine Methode entwickelt, welche quantitative Laseranregungsspektroskopie
der nPPE von Einzelpartikeln ermöglicht. Die Natur der LSP-Resonanzen, welche in
den Anregungsspektren der Partikel beobachtet werden, wird durch Vergleich der experimentellen
Spektren mit Simulationen aufgeklärt. Der Einfluß dünner Porphyrinschichten auf
die LSP-Resonanzen wird mit Laseranregungsspektroskopie untersucht, mit dem Ergebnis,
daß die Porphyrinschichten eine spektrale Verschiebung der Partikelresonanzen verursachen.
Simulationen sagen für die Porphyrin/Silber-Hybridstrukturen eine weitere, porphyrinabgeleitete
LSP-Resonanz voraus, welche sich unter geeigneten Bedingungen auch experimentell
beobachten läßt.Thin porphyrin films and plasmonic silver structures are investigated with multi-photon photoemission
electronmicroscopy (nP-PEEM). The first part of this work deals with optical
and electronic properties of thin porphyrin films in absence of plasmonic excitations. Multiphoton
photoelectron spectroscopy (nPPE) reveals energy distributions of the photoemitted
electrons that cannot be explained by a current model based on results from ultraviolet photoelectron
spectroscopy (UPS). Based on energy-resolved, time-resolved and laterally resolved
nPPE experiments an alternative model is proposed which consistently describes the complex
electronic excitation and relaxation processes in the porphyrin films.
Plasmonic excitations in silver structures are investigated in the second part of this work.
These investigations comprise purely plasmonic excitations as well as plasmonic-excitonic
interaction in porphyrin/silver hybrid structures. Propagating surface plasmons are imaged
with nP-PEEM on an extended silver island. Evaluation of the observed interference patterns,
which result from interference of the plasmonic near-field with the electric field of the
exciting laser beam, facilitates the determination of the surface plasmon dispersion on the
silver surface. Likewise, the influence of a thin porphyrin film on the plasmon dispersion
is investigated. For excitation wavelengths near the molecular Soret band the dispersion
curve deviates from the curve obtained for a purely plasmonic excitation. This deviation
is ascribed to a coupling between the surface plasmon and the molecular excitons in the
porphyrin film.
Localized surface plasmons (LSP) are investigated with nP-PEEM on silver nanoparticles.
For this purpose, a method is introduced which enables quantitative laser excitation spectroscopy
using the photoemission signals from individual nanoparticles. Comparison of the
experimental spectra with simulations elucidates the nature of the observed LSP resonances.
The influence of the presence of a porphyrin film on the LSP resonances is studied with
laser excitation spectroscopy. It is shown that the porphyrin films induce a spectral shift of
the LSP resonances of the particles. For the porphyrin/silver hybrid structures simulations
predict a second, porphyrin-induced LSP resonance which is also experimentally observed
under appropriate conditions