Gap-Plasmon und Spitzen-verstärkte Ramanstreuung an Halbleiternanostrukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Dietrich R. T. Zahn
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 410250059

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel dieses Projekts war die Untersuchung der durch Gap-Plasmonen induzierten Verstärkung der Raman-Streuung durch Halbleiter-Nanokristalle in der Nähe von metallischen Nanostrukturen mit nanometrischer räumlicher Auflösung. Außerdem untersuchten wir lokale optische Phänomene von niedrigdimensionalen Materialien, die einige neue Aspekte dieser Systeme offenbaren. Das Schlüsselkonzept dieses Projekts bestand darin, die lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) von Metallnanostrukturen zu nutzen, um Resonanzphänomene in benachbarten niedrigdimensionalen Systemen hervorzurufen und die sich daraus ergebenden Effekte durch spitzenverstärkte Raman-Streuung (TERS) und oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS) zu untersuchen. Halbleitende Nanokristalle oder Quantenpunkte (QDs), die aus CdSe und CdS mit unterschiedlichen Größen bestehen, waren die wichtigsten Modellsysteme, die in diesem Projekt untersucht wurden. Sie wurden mit Hilfe der Langmuir-Blodgett-Technik auf Arrays von Gold-Nanostrukturen aufgebracht. Um die plasmonischen Effekte gründlich zu verstehen, insbesondere die Auswirkungen der LSPR, haben wir numerische Simulationswerkzeuge eingesetzt. Dies half uns, unsere Experimente effizient zu gestalten. Mit diesem detaillierten Ansatz war es möglich, die lokalen Phononeigenschaften von halbleitenden Nanostrukturen mit einer räumlichen Auflösung von nur etwa 2 nm zu untersuchen. Wir untersuchten auch die oberflächenverstärkte Photolumineszenz solcher Nanostrukturen, die im Vergleich zu SERS aufgrund von nicht-strahlenden Zerfallskanälen weniger effizient ist. Über den Rahmen des ursprünglichen Projekts hinaus wurde der (nano-)spektroskopische Ansatz auf eine Reihe anderer Halbleitersysteme angewendet. Die Ergebnisse dieses Projekts zeigen einige neue Aspekte von niedrigdimensionalen Halbleitern auf, die sowohl für das grundlegende Verständnis als auch für die Entwicklung technologischer Anwendungen von Bedeutung sind.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Nano-Raman Investigation of Monolayer MoS2 at the 2D/Plasmonic Heterointerface, and D.R.T. Zahn, Enhanced Spectroscopies of Semiconductor Quantum Dots and their Interfaces, International Conference on the Formation of Semiconductor Interfaces (ICFSI-17), Shanghai, China
  Mahfujur Rahaman
  
• Tip-Enhanced Raman Scattering (TERS) of MoS2/Plasmonic Heterostructures: Understanding the TERS Sensitivity and Local Heterogeneities at the Interface, International Conference on Optics of Surfaces and Interfaces (OSI 13), Leon, Mexico
  Mahfujur Rahaman
  
• Fine-tuning of localized surface plasmon resonance of metal nanostructures from near-Infrared to blue prepared by nanosphere lithography. Journal of Applied Physics, 128(23).
  Rahaman, Mahfujur; Moras, Stefan; He, Lu; Madeira, Teresa I. & Zahn, Dietrich R. T.
  
• Resonant plasmon enhancement of light emission from CdSe/CdS nanoplatelets on Au nanodisk arrays. The Journal of Chemical Physics, 153(16).
  Milekhin, I. A.; Anikin, K. V.; Rahaman, M.; Rodyakina, E. E.; Duda, T. A.; Saidzhonov, B. M.; Vasiliev, R. B.; Dzhagan, V. M.; Milekhin, A. G.; Batsanov, S. A.; Gutakovskii, A. K.; Latyshev, A. V. & Zahn, D. R. T.
  
• Resonant tip-enhanced Raman scattering by CdSe nanocrystals on plasmonic substrates. Nanoscale Advances, 2(11), 5441-5449.
  Milekhin, I. A.; Rahaman, M.; Anikin, K. V.; Rodyakina, E. E.; Duda, T. A.; Saidzhonov, B. M.; Vasiliev, R. B.; Dzhagan, V. M.; Milekhin, A. G.; Latyshev, A. V. & Zahn, D. R. T.
  
• Conversion of 2-dimensional GaSe to 2-dimensional β-Ga2O3 by thermal oxidation. Nanotechnology, 33(4), 045702.
  Schmidt, Constance; Rahaman, Mahfujur & Zahn, Dietrich R. T.
  
• Investigation of the Phonon Spectra in CdSe/CdS Nanoplatelets by Raman Spectroscopy. Journal of Physics: Conference Series, 2015(1), 012076.
  Kurus, N.N.; Milekhin, A.G.; Vasiliev, R.B.; Saidzhonov, B.M.; Anikin, K.V.; Sklyar, R.I.; Batsanov, S.A.; Gutakoskii, A.K.; Latyshev, A.V. & Zahn, D.R.T.
  
• Observation of Room‐Temperature Dark Exciton Emission in Nanopatch‐Decorated Monolayer WSe2 on Metal Substrate. Advanced Optical Materials, 9(24).
  Rahaman, Mahfujur; Selyshchev, Oleksandr; Pan, Yang; Schwartz, Rico; Milekhin, Ilya; Sharma, Apoorva; Salvan, Georgeta; Gemming, Sibylle; Korn, Tobias & Zahn, Dietrich R. T.
  
• Plasmonic hot electron induced layer dependent anomalous Fröhlich interaction in InSe. Communications Physics, 4(1).
  Rahaman, Mahfujur; Aslam, Muhammad Awais; He, Lu; Madeira, Teresa I. & Zahn, Dietrich R. T.
  
• Understanding the Role of Different Substrate Geometries for Achieving Optimum Tip-Enhanced Raman Scattering Sensitivity. Nanomaterials, 11(2), 376.
  He, Lu; Rahaman, Mahfujur; Madeira, Teresa I. & Zahn, Dietrich R.T.
  
• Controlling excitons in the quantum tunneling regime in a hybrid plasmonic/2D semiconductor interface. Applied Physics Reviews, 9(3).
  Ferrera, M.; Rahaman, M.; Sanders, S.; Pan, Y.; Milekhin, I.; Gemming, S.; Alabastri, A.; Bisio, F.; Canepa, M. & Zahn, D. R. T.
  
• Near-field infrared spectroscopy of SiOx nanowires. Applied Surface Science, 584, 152583.
  Milekhin, I.A.; Kozhukhov, A.S.; Sheglov, D.V.; Fedina, L.I.; Milekhin, A.G.; Latyshev, A.V. & Zahn, D.R.T.
  
• Optical Response of CVD-Grown ML-WS2 Flakes on an Ultra-Dense Au NP Plasmonic Array. Chemosensors, 10(3), 120.
  Ferrera, Marzia; Ramò, Lorenzo; Convertino, Domenica; Orlandini, Giorgio; Pace, Simona; Milekhin, Ilya; Magnozzi, Michele; Rahaman, Mahfujur; Zahn, Dietrich R. T.; Coletti, Camilla; Canepa, Maurizio & Bisio, Francesco
  
• Plasmon-enhanced Raman spectroscopy of two-dimensional semiconductors. Journal of Physics: Condensed Matter, 34(33), 333001.
  Rahaman, Mahfujur & Zahn, Dietrich R. T.
  
• Signature of lattice dynamics in twisted 2D homo/hetero-bilayers. 2D Materials, 9(4), 045018.
  Pan, Yang; Li, Shutong; Rahaman, Mahfujur; Milekhin, Ilya & Zahn, Dietrich R. T.
  
• Surface- and Tip-Enhanced Raman Scattering by CdSe Nanocrystals on Plasmonic Substrates. Nanomaterials, 12(13), 2197.
  Milekhin, Ilya A.; Milekhin, Alexander G. & Zahn, Dietrich R. T.
  
• Tip-Enhanced Raman Spectroscopy of 2D Semiconductors. Recent Developments in Atomic Force Microscopy and Raman Spectroscopy for Materials Characterization. IntechOpen.
  Rahaman, Mahfujur & R.T. Zahn, Dietrich
  
• Local phonon imaging of AlN nanostructures with nanoscale spatial resolution. Nanoscale Advances, 5(10), 2820-2830.
  Milekhin, Ilya; Anikin, Kirill; Kurus, Nina N.; Mansurov, Vladimir G.; Malin, Timur V.; Zhuravlev, Konstantin S.; Milekhin, Alexander G.; Latyshev, Alexander V. & Zahn, Dietrich R. T.