SFB 1636/1: Steuerung chemischer Reaktionen durch propagierende Oberflächenplasmonpolaritonen (TP A06)

In diesem Projekt wird das Potential propagierender Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (englisch: propagating surface plasmon polaritons, pSPPs) zur Beeinflussung und Steuerung chemischer Reaktionen untersucht. Dabei ist die zentrale Idee die optische Anregung von Plasmonen räumlich von der Stelle zu trennen, an der die Reaktion stattfindet und damit das Wechselspiel von Licht und Plasmon-Felder mit den Reaktionspartnern in verschiedenen Geometrien zu studieren.
Die räumliche Trennung von Laseranregung und Reaktionsstelle garantiert, dass die Reaktion ausschließlich von plasmonischen Nahfeldern und nicht von Laser-induzierter Wärme oder direkter optischer Anregung der Moleküle getrieben wird. Dabei streben wir zunächst die Kontrolle von einfachen Modell-Reaktionen und die effiziente Plasmon-induzierte chemische Strukturierung von Oberflächen auf der Nanoskala an. Wir quasi-zwei- und quasi-eindimenionale Geometrien untersuchen, welche u.a. dünne Metall-Polymer-Heterostrukturen umfassen, die mittels Nano-Lithographie (via fokussierte Ionenstrahlen und atomarer Kraftmikroskopie) strukturiert werden sowie Nano-Drähten und -Teilchen, welche mittels Methoden der Kolloidchemie hergestellt werden. Quantitative theoretische Modellierung der avisierten Strukturen und Effekte wird die Auswahl und Optimierung geeigneter Geometrien unterstützen und bei der Dateninterpretation flankieren. Insbesondere wird die Modellierung die Rolle der nichtlokalen Materialeigenschaften und der Oberflächenrauigkeiten für das plasmonische Nahfeld untersuchen. Darüber hinaus wird die Modellierung sich mit dem Übergang von Dauerstrichverhalten der pSPPs zu ultraschnellen pSPP-Wellenpakten (sogenannte SPP-Bullets) und deren Einfluss auf die vorgenannten Modell-Reaktionen im Nahfeld beschäftigen.
Wir kombinieren unsere Expertise um chemische Reaktionen wie das Aufpfropfen auf metallische Oberflächen, C-C Kopplungsreaktionen und Polymerisierung durch pSPPs zu kontrollieren. Derartige Reaktionen wurden bisher mittels plasmonischer Nano-Teilchen unter direkter Lasereinstrahlung demonstriert, während wir auf die Anregung via pSPPs in quasi-ein- und zwei-dimensionalen Geometrien abzielen. Speziell wollen wir selektiv die Polymerisierung vs. zum Aufpfropfen durch Kontrolle der Nahfelds steuern. Dabei benutzen wir optische Nahfeldmiktroskopie zur Abbildung der Nahfeld-Intensitätsmuster in der Nähe der nano-strukturierten Metalle. Die Synthese wird in situ unter speziell angepassten optischen Mikroskopen durchgeführt. Weiterhin werden wir die chemischen Transformationen durch Stokes- und Anti-Stokes Raman-Mikroskopie charakterisieren und verfolgen damit auch die lokale Erzeugung von Wärme. Die Polymerisierungs-Prozesse auf der Nano-Skala werden wir mittels atomarer Kraftmikroskope untersuchen.