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Title
Plasmonic response to temporal polymer phase transition / Pamina M. Winkler
AuthorWinkler, Pamina Martina
CensorHohenau, Andreas
Published2015
DescriptionX, 83 S. : Zsfassungen (1 Bl.) ; Ill., graph. Darst.
Institutional NoteGraz, Univ., Masterarb., 2015
Annotation
Zsfassungen in dt. und engl. Sprache
LanguageEnglish
Document typeMaster Thesis
Keywords (GND)Nanopartikel / Gold / Polymerfilm / Nanophotonik / Nanopartikel / Gold / Polymerfilm / Nanophotonik / Online-Publikation
URNurn:nbn:at:at-ubg:1-81534 Persistent Identifier (URN)
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Plasmonic response to temporal polymer phase transition [6.21 mb]
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Abstract (German)

Eine vielversprechende Anwendung der Nanophotonik ist die Funktionalisierung metallischer Nanopartikel mit einer Polymerschicht, deren Struktur sich in wässriger Umgebung temperaturabhängig ändert. In dieser Arbeit wird das statische und dynamische Verhalten des temperaturinduzierten Phasenüberganges des Polymers PNIPAM (Poly-N-isopropylamide) untersucht, welches auf die Oberfläche von Goldnanopartikeln in wässriger Umgebung aufgebracht wurde. Die optischen Eigenschaften von Goldnanopartikeln, hergestellt mittels Elektronenstrahllithographie, werden in zweierlei Hinsicht zur Untersuchung des Phasenüberganges benutzt. Zum einen dienen sie als effiziente (thermo-optische) Wärmequellen, zum anderen reagiert die lokalisierte Oberflächenplasmonen Resonanz (LSPR) der Nanopartikel sensibel auf Änderungen des Brechungsindex in ihrer unmittelbaren Umgebung. Die temperaturabhängige Strukturänderung des PNIPAM induziert eine Wellenlängen-Verschiebung der LSPR und kann so gemessen werden. Es zeigt sich ein deutlicher Einfluss der PNIPAM-Schichtdicke auf die induzierte LSPR-Verschiebung der Nanopartikel. Eine dickere PNIPAM-Schicht führt zu einer stärkeren Verschiebung der LSPR, wohingegen bei dünneren PNIPAM-Schichten eine Hysterese über den Heiz- und Kühlzyklus zu beobachten ist.Die Dynamik des Phasenüberganges wird abhängig vom thermo-optisch induzierten Temperatursprung, von der Dauer des Heizintervalls und der Basistemperatur des Wassers untersucht. Für eine dünnere PNIPAM-Schicht wird eine kürzere Dauer des Phasenüberganges beobachtet als für eine dickere Schicht. Das zeitliche Verhalten des Phasenüberganges kann mit Hilfe eines biexponentiellen Zerfallsgesetzes beschrieben werden. Die hier bestimmten Zeitkonstanten (10-20 s und 150-400 s) stimmen gut mit den in der Literatur angegebenen Werten für PNIPAM in Lösung überein. Im Gegensatz zu PNIPAM in Lösung, zeigt die hier bestimmte langsame Zeitkonstante eine Abhängigkeit von der Wasser-Basistemperatur.

Abstract (English)

The combination of plasmonic nanostructures with a thermo-responsive polymer is a promising route towards nanophotonic functionality. In this thesis, the static and the dynamic behavior of the thermally induced phase transition of the polymer PNIPAM (poly-N-isopropylamide) is investigated, which is grafted to the surface of gold nanoparticles embedded in water. The optical properties of the electron-beam lithographically fabricated gold nanoparticles are used in two ways. Firstly, their strong absorption is employed for optically heating them and, secondly, their localized surface plasmon resonance (LSPR) sensitively depends on the optical properties of the particles' immediate environment. The temperature dependent phase transition of PNIPAM induces a LSPR wavelength shift, which in turn is detected.We find that the PNIPAM layer thickness clearly influences the induced LSPR shift. A thicker PNIPAM coating leads to a larger LSPR shift, whereas for a thinner coating a kind of memory effect (hysteresis) in addition to a smaller LSPR shift is observed.The dynamics of the phase transition is studied as a function of the thermo-optically induced jump in temperature, the duration of the heating interval and the water base temperature. For a thinner PNIPAM coating a faster timescale of the phase transition is observed than for a thicker coating. The time dependence of the PNIPAM phase transition can be described by a bi-exponential decay model. The slow component exhibits a temperature-sensitive behavior, which can be attributed to the PNIPAM phase transition. This is in contrast to the fast component found to be independent of temperature.The time constants measured here (10-20 s and 150-400 s, respectively) correspond well to the values reported in literature for PNIPAM in solution. In contrast to the observations on PNIPAM layers in the frame of this work, no dependence of the longer time constant on the water base-temperature is observed for PNIPAM in solution.