Surface plasmons resonance spectroscopy and its application to sensor devices : a novel approach with the combination of X-ray spectroscopy

Abstract

Vor fast 100 Jahren, R. W. Wood beobachtete starke, winkelabhängige Schwankungen in der Intensität des Lichtes, das von einer optischen Metallvergitterung reflektiert wurde. Diese Effekten sind wegen der Wechselwirkung des Lichtes mit einer grundsätzlichen Erregung einer metall-dielektrischen Schnittstelle. Diese Erregung wird durch eine Ladundsdichte-Schwingung im Metall charakterisiert, das durch ein elektromagnetisches Feld begleitet wird, das sich in beiden Medien ausstreckt. Da die Energie zur Umgebung der Metalloberfläche beschränkt wird, und die Leitungselektronen eines Metalls als ein Plasma behandelt werden können, wird diese Erregung die Oberflächeplasmonresonanz genannt. Seit einem langen Zeitraum wurden nicht viele Fortschritte in diesem Feld gemacht bis die Verfügbarkeit von neuen theoretischen und experimentellen Techniken Interesse an der Optik des metallischen dünnen Schichten ausgelöst hat. In dieser Dissertation wurde ein selbst gebauter Sensor für die Erregung von Oberflächenplasmonen nach der Konfiguration von Kretschmann gebaut. Mit dem selbst gebauten Gerät wurden verschiedene statische Massungen ausgeführt, um die Vertrauenswürdigkeit des Sensors nachzuprüfen. Aufgrund der Tatsache dass Molekular Wechselwirkungen immer Änderungen in der Dicke, und Brechungsindizes nachweisen, durch der Verbindung dieses Gerät mit der Röntgenstrahl-Spektroskopie Gerät, würden Dicke und Elektrondichte-Schwankung während solcher Wechselwirkungen mitverfolgt. Mit beide Messverfahren gleichzeitig, studierten wir die Verbreitung von Goldkolloiden durch eine dünnen Schicht des Polymers P3HT. Die Temperatur der Probe wurde schrittweise von 150°C bis 200°C erhöht. Dadurch wurde eine vertikale Verteilung von Goldkolloiden innerhalb des Polymers geschaffen. Diese vertikale Elektrondichte-Schwankung wurde unabhängig mit dem Röntgenstrahl-Gerät nach jedem schritt der Temperaturerhöhung gemessen. Gleichzeitig wurden die optischen Änderungen, die durch die vertikale Elektrondichteänerungen veranlasst wurde, mit dem Oberflächenplasmonresonanz Sensorgerät gemessen. Durch die Simulation der Ergebnisse der Röntgenstrahl-Reflexionsvermögen und der nachfolgenden Berechnung der Elektrondichte innerhalb der Polymerschicht, konnten wir später die durch das Oberflächenplasmonresonanzgerät registrierten Antworten nachprüfen. Schließlich wurden Kolloide mit einem Durchmesser größer als die Dicke der Polymerschicht auch auf die Oberfläche der Polymerschicht gebracht, und die Probe wurde von 150°C bis 220°C erwärmt. Obwohl es keine Verbreitung der Kolloide ins Polymer stattfand, schuf der untergetauchte Teil der Kolloide ins Polymer auch eine Elektrondichte-Schwankung innerhalb der Polymerschicht. Das wurde modelliert und simuliert. Wie man später herausfand, war diese erzeugte Elektrondichte-Schwankung infolge dieses Untertauchens der Kolloide ins Polymer für die charakteristische Verschiebung der Peak des Oberflächenplasmonresonanz zu grossere Winkeln. Die gleichzeitige Untersuchung eines dynamischen Prozesses bei Verwendung beide spektroskopischen Prozessen, ist bis dato nie gemacht worden.

Almost 100 years ago, R. W. Wood observed strong, angular dependent variations in the intensity of light that was reflected from an optical metal grating. This effect was due to the interaction of light with a fundamental excitation of a metal-dielectric interface. This excitation is characterised by a charge density oscillation in the metal, which is accompanied by an electromagnetic field that extends in both media. Since the energy is confined to the vicinity of the metal surface, and the conduction electrons of a metal can be treated as plasma, this excitation is called the surface plasmons resonance. For quite a long period of time, not much progress was made in this field until the availability of new theoretical and experimental techniques triggered growing interest in the optics of metallic thin film. In this work, a self made surface plasmons resonance set-up was constructed using the Kretschmann's configuration. Using the self made device, diverse static measurements were carried out to verify the credibility of the sensor. The bulk behavior of polymers has been investigated extensively since the discovery of their (commercial) value in many applications during the 1940s. Thus, nowadays the relation between molecular structure and macroscopic behaviour is fairly well understood. However, since molecular interactions always show changes in thicknesses and refractive indices, by combining the device with x-ray spectroscopy would guarantee the independent monitoring of thickness and electron density variation during such interactions. In this way the self made device was then adapted to our home x-ray device and simultaneous measurements of SPR and x-ray reflectivity were also carried out on a polymer film. Using both devices simultaneously we studied the diffusion of gold colloids through a thin layer of polymer initiated by an external perturbation, heat. By varying the temperature of the sample stepwise from 150°C to 200°C, a vertical distribution of gold colloids within the polymer was created. This vertically induced electron density variation was recorded independently using the x-ray reflectivity device after each annealing step. Simultaneously the optical changes brought about by the vertically induced electron density were also recorded using the SPR sensor device. By simulating the results obtained from the x-ray reflectivity and the subsequent calculation of the electron density within the polymer layer, we could later verify the responds recorded by the SPR response. Finally colloids with a diameter greater than the thickness of the polymer film were also brought onto the surface of the polymer layer and the sample also annealed from 150°C to 220°C. Although this time there was no diffusion of the colloids into the polymer, the submerged part of the colloids into the polymer also created an electron density variation within the polymer layer. This was later modelled and simulated. This generated electron density variation as a result of this submersion of the colloids into the polymer was later seen to be responsible for the characteristic movement of the SPR response towards higher angles. The simultaneous study of a dynamic process using both spectroscopic processes has never been made up till date.