Investigations on the localized surface plasmon resonances of nickel sulfide nanostructures

Abstract

The main topic of this thesis was the examination of the optical properties of nanoparticles consisting of metallic nickel sulfide phases. For this, new syntheses to obtain various colloidal dispersions of Ni3S2, Ni3S4, and α-NiS nanostructures as well as core-shell particles with gold cores were developed. These materials all exhibit prominent absorbance features in the visible part of the electromagnetic spectrum which were confirmed to be caused by localized surface plasmon resonances (LSPRs). Since the field of plasmonic materials active in this spectral region is otherwise confined to noble metal nanoparticles, the novel nickel sulfide particles were evaluated with regard to their molar extinction coefficient. An analysis of the results compared to commonly used gold nanocrystals showed that Ni3S2 nanostructures could achieve very similar values while the necessary precursors for their synthesis are much less expensive than the respective noble metal precursors. Furthermore, hollow nickel sulfide nanoparticles were synthesized to be able to profit from the advantages of hollow nanostructures in regards to applications as nanosensors. This was achieved via the nanoscale Kirkendall effect starting from nickel nanoparticles. The obtained hollow nickel sulfide nanoparticles showed a much sharper LSPR absorbance band making them a more promising material for sensorics. Additionally, α-NiS and Au-α-NiS nanoparticles were investigated regarding their metal-insulator type phase transition and its influence on their LSPR. It could be shown, that the optical density of the colloidal dispersions can be tuned by varying the temperature, resulting in a temperature-switchable plasmonic material.

Das Hauptthema dieser Arbeit war die Untersuchung der optischen Eigenschaften von Nanopartikeln bestehend aus metallischen Nickelsulfid-Phasen. Dazu wurden neue Synthesen entwickelt, um kolloidale Dispersionen von Ni3S2-, Ni3S4- und α-NiS-Nanostrukturen sowie Kern-Schale-Partikel mit Goldkernen zu erhalten. Diese Materialien zeigen auffällige Extinktionsbanden im sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums, die lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanzen (LOPRs) zugeordnet werden konnten. Da das Feld der in diesem Spektralbereich aktiven plasmonischen Materialien auf Edelmetall-Nanopartikel beschränkt ist, wurden die neuartigen Nickelsulfid-Partikel hinsichtlich ihres molaren Extinktionskoeffizienten untersucht. Ein Vergleich der Ergebnisse mit denen der häufig verwendeten Goldnanokristalle zeigte, dass Ni3S2-Nanostrukturen sehr ähnliche Werte erreichen können, während die für ihre Synthese notwendigen Vorstufen deutlich günstiger sind als die der Edelmetalle. Darüber hinaus wurden hohle Nickelsulfid-Nanopartikel synthetisiert, um die Vorteile hohler Nanostrukturen im Hinblick auf Anwendungen als Nanosensoren nutzen zu können. Dies wurde über den nanoskaligen Kirkendall-Effekt ausgehend von Nickel-Nanopartikeln erreicht. Die erhaltenen hohlen Nickelsulfid-Nanopartikel zeigten eine deutlich schärfere LOPR-Extinktionsbande, was sie zu einem vielversprechenderen Material für die Sensorik macht. Darüber hinaus wurden α-NiS- und Au-α-NiS-Nanopartikel hinsichtlich ihres Metall-Isolator Übergangs und dessen Einfluss auf ihre LOPR untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die optische Dichte der kolloidalen Dispersionen durch Variation der Temperatur eingestellt werden kann, was sie zu einem temperaturschaltbaren plasmonischen Material macht.