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Projekte

Maßgeschneiderte Mehrkomponentennanokristalle mit Plasmon-Exziton-Wechselwirkungen für Fluoreszenzverstärkung und Sensorik (DFG Forschungsprojekt)

Das Projekt zielt auf die Entwicklung neuer Synthesestrategien für anorganische Nanokristalle mit maßgeschneiderten Größen, Formen und komplexen Zusammensetzungen mit einem Schwerpunkt auf Systemen, die Plasmon-Exziton-Wechselwirkungen wie z. B. Fluoreszenzverstärkung aufweisen. Die Kombination der Techniken „keimvermitteltes Wachstum“, „Kationenaustauschreaktionen“ und „Gussformmethoden“ wird bis dato nicht zugängliche nanokristalline Materialien liefern. Kationenaustauschreaktionen ermöglichen, Nanokristalle komplexer Formen auf einfachem Weg in ein anderes Material umzuwandeln, ohne dabei ihre Form zu verändern. Mittels Gussformmethoden, welche z. B. von einem Metall starten, auf das ein Oxid oder Halbleiter aufgewachsen wird und bei denen in einem zweiten Schritt das Metall selektiv aufgelöst wird, können weitere unkonventionelle Formen wie z. B. hohle oder konkave Nanokristalle synthetisiert werden. Weiterhin werden plasmonische Metallkompartemente selektiv auf diese Nanokristalle aufgewachsen. Wenn die zugrunde liegenden Synthesetechniken ausreichend entwickelt sind, werden maßgeschneiderte anorganische Mehrkomponentennanokristalle mit einem Schwerpunkt auf Systemen mit einstellbarer Plasmon-Exziton-Wechselwirkung hergestellt. Zusätzlich zu dem hierdurch möglichen fundamentalen Erkenntnisgewinn über Plasmon-Exziton-Wechselwirkungen in Nanokristallen werden diese Systeme so entworfen werden, dass sie plasmoneninduzierte starke Fluoreszenzverstärkungseffekte aufweisen. Das Projekt wird auch Fluoreszenzverstärkung im nahinfraroten Spektralbereich abdecken, was weitere potentielle Anwendungen erschließt. Der Erkenntnisgewinn sollte z. B. in Solarzellen der nächsten Generation, LEDs und biomedizinischen Bildgebungsverfahren anwendbar sein. Weiterhin sollen Nanokristalle mit konkaven Kompartementen (hergestellt mittels der oben erwähnten „Gussform“-Technik) zur größenselektiven Erkennung anderer Nanopartikel eingesetzt werden. Dabei sollen „Schlüssel-Schloss“-Erkennungsmechanismen ausgenutzt werden, welche zu Plasmon-Exziton-Wechselwirkungen und somit zu Fluoreszenzverstärkungseffekten führen. Diese fortgeschrittenen Systeme werden erstmalig in der Lage sein, in Lösung andere Nanopartikel größen-, form- und materialselektiv zu detektieren, was für zahlreiche kolloidale nanotechnologische Anwendungen von Interesse sein wird.

Kolloidchemisch hergestellte stark dotierte (entartete) halbleitende und oxidische Nanokristalle mit lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanzen (DFG Forschungsprojekt)

Das Auftreten sogenannter lokalisierter Oberflächenplasmonen (localized surface plasmon resonances, LSPRs) ist heutzutage ein wohlbekanntes und gut erforschtes Phänomen bei Edelmetallnanopartikeln. Aufgrund dieses faszinierenden physikalischen Effekts besteht eine Vielfalt an Forschungs- und Anwendungsgebieten wie z. B. der Nanooptik, Fluoreszenzverstärkung, oberflächenverstärkter Ramanspektroskopie (SERS), plasmonbasierter Sensorik und vielem mehr. Jedoch bestehen bisher kaum Alternativen zu den Edelmetallmaterialien im Gebiet der LSPR aufweisenden Nanopartikel, was die Einsatzfähigkeit auf spezielle Bereiche des Spektrums einschränkt und mit hohen Materialkosten einhergeht. Um diesen Mangel anzugehen, hat das Projekt die Synthese und Charakterisierung einer neuen Klasse plasmonischer Nanokristalle zum Ziel, nämlich von stark dotierten Metalloxid- und Halbleiternanopartikeln mit plasmonischen Eigenschaften. Zu diesem Zweck werden Synthesestrategien für stark selbst-dotierte Halbleiternanomaterialien wie Cu(2-x)Se entwickelt, ebenso wie Synthesestrategien zu stark dotierten Nanokristallen aus Zinkoxid und Zinnoxid. Weiterhin wird vor allem für diese neuen Materialien erwartet, dass die Kontrolle über die chemische und dielektrische Umgebung der Nanopartikel kritisch ist, um die plasmonischen Eigenschaften der Nanokristalle zu ändern oder zu stabilisieren. Daher wird eine Feinabstimmung der LSPR-Frequenzen durch die Entwicklung und Anwendung von postsynthetischen Bearbeitungsschritten wie z. B. Schalenwachstum oder Ligandenaustausch vorgenommen.Abschließend wird diese neue Art plasmonischer Nanopartikel im Hinblick auf die Möglichkeit untersucht, die bisher gängigen Goldnanopartikel (oder andere Edelmetallnanopartikel) in LSPR-basierten sensorischen Anwendungen zu ersetzen oder zu ergänzen. Ein positives Ergebnis würde zu einer alternativen (oder komplementären) Klasse plasmonischer Nanopartikel und somit zu einer neuen Nanopartikelfamilie für Anwendungen in plasmonbasierten Sensorsystemen führen.