Nano-Energieforschung

Adiabatische Nanofokussierung: Räumlich und zeitlich hochaufgelöst Spektroskopie von Energiewandlungsprozessen

Projektleiter: Petra Groß
Kooperationspartner: Manuela Schiek, Christoph Lienau, Gunther Wittstock

In diesem Projekt sollen lichtinduzierte Energiewandlungsprozesse in Solarzellenmaterialien und Lichtsammelkomplexen räumlich und zeitlich mit höchster Auflösung verfolgt werden. Solche Prozesse finden in einer Vielzahl funktionaler Nanostrukturen auf extrem kurzen Längenskalen im Nanometerbereich und Zeitskalen im Femtosekundenbereich statt. Eine direkte räumlich-zeitlich aufgelöste Beobachtung der optischen Anregungen in solchen Nanostrukturen ist damit ein wichtiger Schlüssel zur Aufklärung der Dynamik dieser zumeist noch weitgehend unverstandenen Prozesse. Vor kurzem konnte ein neuartiges Raster-Nahfeldmikroskop demonstriert werden, das auf der adiabatischen Nanofokussierung von Oberflächen-Plasmon-Polaritonen basiert [1,2]. Mit diesem Mikroskop konnte bereits eine räumliche Auflösung von 10 nm und eine zeitliche Auflösung von 10 fs nachgewiesen werden [3]. Im Rahmen dieses Projektes soll dieses weltweit einmalige Mikroskop zur Untersuchung von Energiewandlungsprozessen eingesetzt werden. Dabei werden zunächst Energie- und Ladungstransferprozesse in einzelnen Hybrid-Nanostrukturen aus Halbleitern und Metallen sichtbar gemacht werden. Dabei interessiert uns speziell die starke optische Dipolkopplung zwischen Exzitonen und Plasmonen, die wir kürzlich in Ensembleuntersuchungen nachweisen konnten und die ein Schlüssel zum räumlichen Transport von Anregungen über mesoskopische Distanzen sein könnte [4]. Parallel dazu werden wir uns Materialien zuwenden, die aktuell als Basis für organische Solarzellen untersucht werden, wie Hybridstrukturen aus Polymeren und Fullerenen (P3HT/PCBM, PPV/PCBM etc.). Wir erwarten, dass räumlich hochaufgelöste optische Experimente neue Informationen über den Einfluss der Polymer/Fulleren-Grenzfläche auf die Dynamik und Effizienz lichtinduzierter Elektrontransferreaktionen liefern werden.

1. C. Ropers, C. Neacsu, T. Elsaesser, M. Albrecht, M. Raschke, C. Lienau, Grating-coupling of surface plasmons onto metallic tips: A nanoconfined light source, Nano Lett. 7, 2784 (2007).

2. D. Sadiq, J. Shirdel, J. S. Lee, E. Selishcheva, N. Park, C. Lienau, Adiabatic Nanofocusing Scattering-Type Optical Nanoscopy of Individual Gold Nanoparticles, Nano Lett. 11,1609 (2011).

3. S. Schmidt, B. Piglosiewicz, D. Sadiq, J. Shirdel, J.S. Lee, P. Vasa, N. Park, D.-S. Kim, C. Lienau, ACS Nano 6, 6040 (2012).

4. P. Vasa, W. Wang, R. Pomraenke, M. Lammers, M. Maiuri, C. Manzoni, G. Cerullo, C. Lienau, Real-time observation of ultrafast Rabi oscillations between excitons and plasmons in metal nanostructures with J-aggregates, Nature Photonics, 7, 128-132 (2013)