Ultrafast dynamics of nanolayered ferroelectric and photoswitchable polymer films
Final Report Abstract
Dieses Projekt war das erste wissenschaftliche Projekt meiner jungen Arbeitsgruppe, in dem einige wichtige experimentelle Methoden und Simulationstechniken entwickelt werden mussten. Einerseits wurden komplexe, aber konzeptionell einfache Simulationsprogramme entwickelt, welche die ultraschnelle Strukturdynamik in Nanoschichtsystemen beschreiben. Aufbauend darauf werden die ultraschnelle optische Response einerseits und dynamische Röntgenbeugungssignale auf dieser Zeitskala andererseits vorhergesagt. Die Aussagen wurden vorwiegend an Multischichtsystemen aus metallischen und ferroelektrischen Oxidschichten überprüft und zeigen durchweg, dass wir die Response korrekt beschreiben und vorhersagen können. Auf der experimentellen Seite wurde ein Pump-Probe Aufbau mit durchstimmbaren optischen Pump-Pulsen und Weisslicht-Probe-Pulsen entwickelt, mit dem die Transmission und Reflexion der untersuchten Systeme zeitgleich über einen breiten Spektralbereich bestimmt werden kann. Zusätzlich wurde ein optisches Verfahren zur Multipulsanregung implementiert mit dem spezifische akustische Phononenmoden im 100 GHz Bereich angeregt werden können, deren nichtlineare Propagation und Dämpfung in diesem Aufbau dann gemessen werden kann. Auf dem Gebiet der Probenpräparation wurde die Methode der layer-by-layer deposition von Polyelektrolyten, unter Verwendung eines spin-coaters weiterentwickelt. Nun können sehr homogene Schichten mit einer Rauheit von 1-2 nm hergestellt werden, in denen Goldpartikel und Azobenzen-gelabelte Polyelektrolyte als ultraschnelle Aktuatoren und Sensoren eingebaut werden können. Die Multischichtsysteme zeigen in Röntgenreflektivitätsmessungen scharfe Bragg-Peaks, welche die hohe Perfektion und Homogenität des Schichtsystems nachweisen. In solchen künstlichen Polymer- Nanostrukturen können Hyperschallwellen erzeugt und detektiert werden, deren Wellenlänge und Amplitude durch Vergleich mit den epitaktischen Nanoschichtsystemen bestimmt werden, deren Verhalten quantitativ über ultraschnelle Röntgenbeugung kalibriert wurde. Durch die Azobenzenschichten lassen sich mindestens ebenso effektiv Hyperschallwellen erzeugen wie mit metallischen optomechanischen Transducern. Die Femtochemie dieser Moleküle in den steifen Polyelektrolytumgebungen ist aber hochgradig nichttrivial und wurde noch nicht vollständig erfasst. Die spin-assisted layer-by-layer deposition entpuppte sich als sehr effiziente Methode um die dielektrische Umgebung von Nanopartikeln zu verändern und so die Reichweite von Plasmonenresonanzen zu bestimmen.
Publications
- “Structural Characterization of a Spin-Assisted Colloid- Polyelectrolyte Assembly: Stratified Multilayer Thin Films“ LANGMUIR 26, 18499-18502 (2010)
M. Kiel, S. Mitzscherling, W. Leitenberger, S. Santer, B. Tiersch, T. K. Sievers, H. Moehwald, and M. Bargheer
- “Ultrafast manipulation of hard x-rays by efficient Bragg switches”, Appl. Phys. Lett. 96, 161906 (2010)
M. Herzog, W. Leitenberger, R. Shayduk, R.M. van der Veen, C.J. Milne, S.L. Johnson, I. Vrejoiu, M. Alexe, D. Hesse, and M. Bargheer
- “Broadband measurements of the transient optical complex dielectric function of a nanoparticle/polymer composite upon ultrafast excitation” , Phys. Rev. B 84, 165121 (2011)
M. Kiel, H. Möhwald and M. Bargheer
- „Nanoscale heat transport studied by high-resolution time-resolved x-ray diffraction”, New J. of Physics 13, 093032 (2011)
Roman Shayduk, Hengameh Navirian, Wolfram Leitenberger , Jevgenij Goldshteyn, Ionela Vrejoiu, Martin Weinelt, Peter Gaal, Marc Herzog, Clemens von Korff Schmising and Matias Bargheer
- Detecting optically synthesized quasi-monochromatic sub-terahertz phonon wavepackets by ultrafast x-ray diffraction, Appl. Phys. Lett. 100, 094101 (2012)
Herzog et al.
(See online at https://doi.org/10.1063/1.3688492) - Measuring the Range of Plasmonic Interaction Langmuir 28, 4800 (2012)
M. Kiel, M. Klötzer, S. Mitzscherling and M. Bargheer
(See online at https://doi.org/10.1021/la204577m) - “Calibrated real time detection of nonlinearly propagating giant strain waves”, Phys. Rev. B, 86, 144306 (2012)
A. Bojahr et al.
- “Comparing the oscillation phase in optical pump-probe spectra to ultrafast x-ray diffraction in the metal-dielectric SrRuO3/SrTiO3 superlattice”, Phys. Rev. B, 85, 224302 (2012)
A. Bojahr, et al.
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevB.85.224302)
