Ensembles of Plasmonic Nanoparticles

Thumbnail Image

Files

isbn9789526079974.pdf (9.34 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2018-05-25
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2018

Department

Teknillisen fysiikan laitos
Department of Applied Physics

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

64 + app. 42

Series

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 95/2018

Abstract

This thesis explores the optical response of systems made from metallic nanoparticles, combining numerical simulations and experimental studies. Metallic nanoparticles, which are much smaller than the wavelength of light, interact with optical fields through plasmonic resonances. These resonances depend strongly on the size, shape and environment of the particles, and the wavelengths that they scatter can be tuned across the whole visible spectrum using particles made from gold, silver and aluminum. The sensitivity to the environment has lead to applications for instance in chemical sensing, where particles floating in a solution aggregate when the target chemical is introduced, leading to a change in color observable without any specialized instrumentation.  The change in color of the aggregates comes from the near-field interactions between the particles. Instead of uncontrolled aggregation, the particles can also be self-assembled around other nanoscale objects acting as scaffolds for the construction. The self-assembled structures have been studied in the Publications III and IV of this thesis, where gold nanoparticles were assembled around twisting, stick-like nanostructures. The resulting structures were found to show large plasmonic circular dichroism, while the individual gold nanoparticles used to make the structures do not have this property. The structures were simulated numerically in the work conducted for this thesis, and found to match the experiments well.  The color of the nanoparticles can be changed also by making periodic lattices from them. In reflection or transmission through the structure, a narrow wavelength range can be boosted due to constructive interference, while others are diminished by destructive interference. This wavelength range can be chosen by tilting the incident angle or changing the particle spacing. The cover image shows a number of aluminum nanoparticle arrays with different periodicities, reflecting light across the whole visible spectrum. This type of structures have been studied in Publications I and II of the thesis as a platform for realizing minituarized laser sources.  The optical properties of the particle lattices are discussed in detail, starting from simplified models and moving to numerical simulations and experiments done. Both one dimensional and two dimensional lattices are shown to act as lasers when covered with organic dye molecules. Curiously, both structures show lasing in an optical dark mode -- a mode where light typically cannot be coupled to from the far field.

Tämä väitöskirja käsittelee metallisista nanohiukkasista koostuvien järjestelmien optista vastetta numeeristen simulaatioiden ja kokeellisen tutkimuksen kautta. Metalliset nanohiukkaset vuorovaikuttavat valon kanssa plasmoniresonanssien kautta. Nämä resonanssit riippuvat voimakkaasti hiukkasten koosta, muodosta ja ympäristöstä. Plasmoniresonanssien herkkyyttä hiukkasia ympäröivälle materiaalille käytetään hyväksi esimerkiksi kemiallisessa tunnistuksessa, jossa liuoksessa kelluvat hiukkaset tarttuvat toisiinsa kiinni kun kohdekemikaalia lisätään. Tästä seuraa liuoksen värin muutos, joka voidaan havaita paljain silmin ilman erityistä mittalaitteistoa.  Toisiinsa tarttuneiden hiukkasten värin muutos on seurausta plasmoniresonanssien lähikenttien välisestä vuorovaikutuksesta. Hallitsemattoman tarttumisen sijaan hiukkaset voidaan myös järjestää muiten nanokokoisten objektien ympärille, jotka toimivat rakennustelineinä hiukkasille. Tämän tyyppisten itsejärjestyneiden systeemien optista vastetta tutkittiin julkaisuissa III ja IV, missä kultananohiukkaiset koottiin kiertyneiden, nanokokoisten tikkujen ympärille. Tuloksena olevilla rakenteilla havaittiin olevan suuri plasmoniresonansseista riippuva ero vasen- ja oikeakätisen valon polarisaatioille. Rakennuspalikoina käytetyillä kultahiukkasilla tätä ominaisuutta ei ole. Rakenteita simuloitiin numeerisesti ja tulokset vastaavat hyvin kokeellisia havaintoja.  Nanohiukkasten väriä voidaan muuttaa myös tekemällä säännöllisiä hilarakenteita. Heijastuneessa tai läpi menneessä valossa kapea aallonpituusalue näkyy voimakkaammin konstruktiivisen interferenssin vuoksi, kun taas muilla aallonpituuksilla destruktiivinen interferenssi heikentää valon intensiteettiä. Tätä aallonpituusaluetta voidaan säätää kallistamalla näytettä tai muuttamalla hiukkasten välistä etäisyyttä. Väitöskirjan kansikuvassa on alumiinipartikkeleista valmistettuja hiloja eri partikkeleiden välisillä etäisyyksillä, jotka heijastavat eri aallonpituuksia koko näkyvän spektrin alueelta. Tämäntyyppisiä rakenteita on tutkittu väitöskirjan julkaisuissa I ja II alustana miniariturisoitujen laserlähteen toteuttamisessa.  Hilojen optisia ominaisuuksia käydään läpi väitöskirjassa alkaen yksinkertaistetuista malleista, jonka jälkeen siirrytään numeerisiin malleihin ja kokeisiin. Yksi- ja kaksiulotteisia hiloja käytettiin laserlähteinä orgaanisten väriaineiden kanssa.

Description

Supervising professor

Törmä, Päivi, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland

Thesis advisor

Hakala, Tommi, Dr., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland

Keywords

plasmonics, periodic structures, nanoparticle arrays, chiral structures, plasmoniikka, periodiset rakenteet, partikkelihilat, kiraaliset rakenteet

Other note

Parts

  • [Publication 1]: T.K. Hakala, H.T. Rekola, A.I. Väkeväinen, J.-P. Martikainen, M. Necada, A.J. Moilanen, P. Törmä. Lasing in dark and bright modes of a finitesized plasmonic lattice. Nature Communications, 8:13687, January 2017.
    DOI: 10.1038/ncomms13687 View at publisher
  • [Publication 2]: H.T. Rekola, T.K. Hakala, P. Törmä. One-dimensional plasmonic nanoparticle chain lasers. ACS Photonics, March 2018.
    DOI: 10.1021/acsphotonics.8b00001 View at publisher
  • [Publication 3]: J. Majoinen, J. Hassinen, J.S. Haataja, H.T. Rekola, E. Kontturi, M.A. Kostiainen, R.H.A. Ras, P. Törmä, O. Ikkala. Chiral Plasmonics Using Twisting along Cellulose Nanocrystals as a Templata for Gold Nanoparticles. Advanced materials, 28 (26): 5262–67, May 2016. Full-text in Aaltodoc/Acris: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201705315111.
    DOI: 10.1002/adma.201600940 View at publisher
  • [Publication 4]: V. Liljeström, A. Ora, J. Hassinen, H.T. Rekola, Nonappa, M. Heilala, V. Hynninen, J. Joensuu, R.H.A. Ras, P. Törmä, O. Ikkala, M.A. Kostiainen. Cooperature colloidal self-assembly of metal-protein superlattice wires. Nature Communications, 8:671, September 2017. Full-text in Aaltodoc/Acris: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201710157095.
    DOI: 10.1038/s41467-017-00697-z View at publisher

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-7997-4

Collections

[diss] Perustieteiden korkeakoulu / SCI