Influence of metal nanoparticles on the light emission properties of rare-earth ions

• Einfluss von Metall-Nanopartikeln auf die Lichtemissionseigenschaften der Seltenerd-Ionen

Kumar, Deepu; von Plessen, Gero (Thesis advisor); Taubner, Thomas (Thesis advisor)

Aachen (2019, 2020)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

Die optischen Eigenschaften von Metall-Nanopartikeln (MNP) können sich signifikant von denen der jeweiligen Volumenmetalle unterscheiden. Licht kann eine kollektive Schwingung von Leitungselektronen in einem MNP anregen und so ein Partikel-Plasmon-Polariton in dem MNP entstehen lassen. Bei den Resonanzfrequenzen der Partikel-Plasmon-Polaritonen absorbiert und streut das MNP das Licht stark und das lokale Feld verändert sich nahe der Oberfläche des MNP erheblich, wenn die Lichtfrequenz sich einer der Resonanzfrequenzen nähert. Wenn ein schwingender elektrischer oder magnetischer Dipol-Emitter, welcher als optische Nanoantenne fungiert, in der nahen Umgebung eines Nanopartikels platziert wird, kann die strahlende und nichtstrahlende Verfallsrate des Emitters durch die Kopplung zwischen Partikel-Plasmon und MNP beeinflusst werden. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung und dem Verständnis der Modifizierung der Anregungs- und Emissionsraten der Dipol-Emitter durch Veränderungen im lokalen Umfeld des Emitters, die durch Metall-Nanopartikel unterschiedlicher Formen und Größen verursacht werden. Es wurde gezeigt, dass die Partikel-Plasmon-Polariton-Eigenschaften eines Metall-Nanopartikels zur Erhöhung der Lumineszenz von dreiwertigen Seltenerd-Ionen genutzt werden können, was integriert in einer konventionellen Si-Solarzelle die Gesamteffizienz der Licht-Strom-Konversion steigern kann. Am Anfang dieser Arbeit steht die Untersuchung der spektralen Folgen der strahlenden und nichtstrahlenden Zerfallsraten von elektrischen und magnetischen Dipol-Emittern. Beispielsweise variiert die nichtstrahlende Zerfallsrate eines elektrischen und magnetischen Dipol-Emitters im extremen Nahfeld (d ≤10 nm) einer Silber-Nanosphäre mit jeweils 1/d3 bzw. 1/d, wobei d die Entfernung des Dipol-Emitters zu der Oberfläche der Silber-Nanosphäre darstellt. Numerische Ergebnisse aus dieser Arbeit zeigen, dass elektrische Dipol Übergänge im extremen Nahfeld einer MNP-Oberfläche stärker reduziert werden, als Übergänge magnetischer Dipole. Außerdem zeigen die Simulationsergebnisse dieser Arbeit, dass selbst wenn ein Dipol-Emitter sich mit einem MNP mit elektrischen sowie magnetischen Resonanzen koppeln kann, die elektrischen Dipol Übergänge im extremen Nahfeld einer MNP-Oberfläche stärker reduziert werden als die magnetischen Dipol Übergänge. Im nächsten Schritt werden die Auswirkungen verschiedener MNP auf die Photolumineszenz-Emissionsrate von Sm3+-Ionen durch eine Untersuchung der Effekte von Metall-Nanopartikeln verschiedener Formen und Größen auf die Anregungs- und Emissions-Zerfallsraten von Sm3+-Ionen behandelt. Die vorgestellten Ergebnisse aus den Berechnungen mit der Finite-Element- Methode zeigen, dass es für die Umsetzung in Seltenerd-Ionen wie Sm3+ (dotiert in einer Photolumineszenz-Schicht) in Anwendungen wie der photovoltaischen Solarzelle effizienter ist, Aluminium-Nanopartikel zu verwenden, verglichen mit Nanopartikeln aus anderen Edelmetallen. Die physikalischen Dimensionen, wie zum Beispiel Größe und Form des Aluminium-Nanopartikels, können weiter verändert werden, um ein noch passenderes Aluminium-Nanopartikel für eine experimentell durchführbare Beispielkonfiguration mit Sm3+-Ionen zu erhalten. Zuletzt wird der Einfluss von Gold-Nanopartikeln verschiedener Formen und Größen auf die Hochkonversions-Lumineszenzrate von Er3+-Ionen vorgestellt und besprochen. Die in dieser Doktorarbeit vorgestellten Ergebnisse sind auf einer Vielzahl unterstützender numerischer Methoden aufgebaut, welche im Methodenkapitel dieser Arbeit vorgestellt werden. Die Gesamtsteigerung der Hochkonversions-Lumineszenzrate durch eine große Gold-Nanosphäre (Durchmesser = 300 nm) wird quantitativ gegenüber Ergebnissen kleinerer Gold-Nanosphären (Durchmesser: 100nm, 140nm and 200 nm) aus der Literatur verglichen. Ein Maximum der Gesamtsteigerung von ca. 5% des Volumendurchschnitts der Hochkonversions-Lumineszenz kann bei der größten Gold-Nanosphäre mit einem Durchmesser von 300nm festgestellt werden. Bei den kleineren Gold-Nanosphören besteht fast keine Steigerung des Volumendurchschnitts der Hochkonversions-Lumineszenz. Im Vergleich zu der maximalen Volumensteigerung der Hochkonversions-Lumineszenz von 5% aufgrund der großen Gold-Nanosphäre, kann ein Maximum von 33% durch eine Gold-Nanoscheibe mit einer Länge von 300nm und einer Höhe von 25nm beobachtet werden. Von der dargelegten Analyse kann abgeleitet werden, dass ein MNP mit hoher Streuungs-Effizienz nahe der Anregungs- und Emissionsfrequenz von Er3+-Ionen am besten für die Steigerung der Hochkonversions-Lumineszenzrate geeignet scheint. Außerdem kann beobachtet werden, dass es für ein MNP wichtiger ist, eine hohe Streuungs-Effizienz an der Absorptionsfrequenz, als an der Emissionsfrequenz von Er3+-Ionen zu besitzen, um eine hohe Hochkonversions-Lumineszenz-Steigerung zu erreichen.