Single-particle investigations of plasmonic nanoantennas for energy conversion

Ezendam, Simone Vera (2023): Single-particle investigations of plasmonic nanoantennas for energy conversion. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Solar energy is a promising solution to the world’s energy problems, and photovoltaic cells have made significant progress in converting sunlight into electricity. However, the intermittency of sunlight limits the usability of photovoltaic technology. Plasmonic nanoparticles have emerged as promising candidates for efficient solar energy conversion and storage. These metallic nanoparticles have unique optical properties that can be tuned by varying their size, shape, and composition. Through the investigation of the behavior of individual nanoparticles by single-particle techniques, this thesis aims to optimize their design and improve their efficiency, ultimately leading to more effective solar energy conversion and storage technologies. We employ single-molecule localization microscopy to study plasmon-enhanced catalysis with super-resolution, revealing the mechanism driving the chemical transformation. This single-particle approach allows for precise investigation of the behavior of individual nanoparticles with subparticle and single-molecule turnover frequencies. We propose a design strategy for optimizing catalysts by maximizing the plasmonic field enhancement, which can lead to increased turnover rates at low irradiances. Next, we examine the latest developments in hybrid plasmonic photocatalysis for solar fuel production, highlighting the importance of quantifying the role of temperature in the enhancement mechanism. We introduce a photothermal model for bimetallic core-shell nanoparticles and verify it with anti-Stokes thermometry, a single-particle technique that allows us to study the link between nanoparticle structure and heat generation. We show that geometry plays a crucial role since the addition of a catalytic shell over a plasmonic cove strongly reduces the photothermal response, while the inclusion of the catalytic material in the form of satellites around the plasmonic core keeps the photothermal properties almost unaffected. Finally, we broaden the focus to ensembles of nanoparticles in the last chapter, demonstrating the applicability and accuracy of anti-Stokes thermometry for investigating the photothermal properties of plasmonic ensembles. The knowledge gained from previous single-particle investigations provides a solid foundation for understanding the behavior of these larger-scale systems. Through comparison with quadriwave shearing interferometry we validate the reliability of this ensemble-based approach. This thesis contributes to the advancement of plasmonic nanoantennas for energy conversion by providing valuable insight into the underlying physical properties. The knowledge gained from this work will not only guide the design of more efficient and sustainable energy conversion technologies but also broaden our understanding of plasmonic materials and their diverse applications. By integrating plasmonic photocatalysis, single-molecule localization microscopy, and photothermal characterization techniques, we aim to facilitate future research in areas such as photothermal therapy and solar energy conversion, ultimately contributing to create novel nanomaterials with improved functionality and performance.

Abstract

Solarenergie ist eine vielversprechende Lösung für die Energieprobleme der Welt und photovoltaische Zellen haben signifikante Fortschritte bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität gemacht. Die Unbeständigkeit des Sonnenlichts beschränkt jedoch die Nutzbarkeit der photovoltaischen Technologie. Plasmonische Nanopartikel haben sich als vielversprechende Kandidaten für effiziente solare Energieumwandlung und -speicherung herausgestellt. Diese metallischen Nanopartikel besitzen einzigartige optische Eigenschaften, die durch Variation ihrer Größe, Form und Zusammensetzung eingestellt werden können. Durch die Untersuchung des Verhaltens einzelner Nanopartikel mittels Einzelpartikeltechniken zielt diese Arbeit darauf ab, ihr Design zu optimieren und ihre Effizienz zu verbessern, was letztendlich zu effektiveren Technologien zur solaren Energieumwandlung und -speicherung führt. Wir setzen die Einzelmolekül-Lokalisationsmikroskopie ein, um die plasmonenverstärkte Katalyse mit hoher Auflösung zu untersuchen, wobei wir feststellen, dass die Verstärkung der untersuchten Reaktion hauptsächlich auf die Photoanregung des Reaktionsmoleküls zurückzuführen ist. Dieser Ansatz auf Einzelpartikelebene erlaubt eine präzise Untersuchung des Verhaltens einzelner Nanopartikel. Wir schlagen eine Designstrategie zur Optimierung von Katalysatoren vor, die darauf abzielt, die plasmonische Feldverstärkung zu maximieren, was zu höheren Umsatzraten bei niedrigen Bestrahlungsstärken führen kann. Als nächstes untersuchen wir die neuesten Entwicklungen in der hybriden plasmonischen Photokatalyse für die Produktion von Solartreibstoffen und betonen die Bedeutung der Quantifizierung der Rolle der Temperatur im Verstärkungsmechanismus. Wir stellen ein photothermales Modell für bimetallische Kern-Schale-Nanopartikel vor und verifizieren es durch Anti-Stokes-Thermometrie, eine Einzelpartikeltechnik, die es uns ermöglicht, den Zusammenhang zwischen Nanopartikelstruktur und Wärmeerzeugung zu untersuchen. Wir zeigen, dass die Geometrie eine entscheidende Rolle spielt, da die Zugabe einer Schale die photothermale Antwort stark reduziert, während die Einbeziehung von Satelliten die photothermischen Eigenschaften fast unverändert lässt. Schließlich erweitern wir den Fokus auf Ensembles von Nanopartikeln und demonstrieren die Anwendbarkeit und Genauigkeit der Anti-Stokes-Thermometrie für die Untersuchung der photothermalen Eigenschaften von plasmonischen Ensembles. Dieses Kapitel baut auf dem aus den vorherigen Einzelpartikeluntersuchungen gewonnenen Wissen auf. Wir validieren die Zuverlässigkeit dieses ensemble-basierten Ansatzes durch den Vergleich mit Quadriwave-Scherinterferometrie. Diese Arbeit trägt zur Weiterentwicklung von plasmonischen Nanoantennen zur Energieumwandlung bei, indem wertvolle Einblicke in die zugrunde liegenden Mechanismen gegeben werden. Das aus dieser Arbeit gewonnene Wissen wird nicht nur die Gestaltung effizienterer und nachhaltigerer Technologien zur Energieumwandlung leiten, sondern auch unser Verständnis von plasmonischen Materialien und ihren vielfältigen Anwendungen erweitern. Durch die Integration von plasmonischer Photokatalyse, Einzelmolekül-Lokalisationsmikroskopie und photothermaler Charakterisierungstechniken zielen wir darauf ab, zukünftige Forschung in Bereichen wie photothermaler Therapie und solare Energieumwandlung zu erleichtern und letztendlich dazu beizutragen, neue Nanomaterialien mit verbesserter Funktionalität und Leistung zu schaffen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 17. Mai 2023
• 1. Bericht­erstatter:in: Cortes, Emiliano