Ultrafast dynamics in gold nanoparticles

The interest on nanometer-sized particles arises from their optical unique features which derive from the so called "localized surface plasmons" (LSPs). LSPs involve oscillations of the free electrons in metal nanoobjects induced by the coupling with an incident electromagnetic field. Their main optical effects are treated in term of light absorption and scattering, which are observable especially in the spectral regions where the LSPs resonance falls. In this work we focused our attention on gold nanoparticles. We performed pump-probe measurements on gold nanospheres and nanorods in order to study their temporal optical response at the femtosecond and picoseconds regime, highlighting the contribution of particles size, shape, crystallinity and environment. A relevant part of this thesis concerns the study of the acoustic oscillations, coherently launched in nanoparticles by an impulsive laser excitation. Concerning nanospheres, we found a linear trend of both the oscillations period and damping versus the spheres radius, and the electron-phonon relaxation time constant versus the excitation intensity. For each of these processes we investigated the contribution given by the particles crystallinity. Regarding nanorods, we studied how the presence of the substrate modifies the properties of both the acoustic oscillations period and damping. Finally we studied the contribution of the shift and the broadening of the plasmonic resonance in the detection of the acoustic oscillations, highlighting the contribution of interband transitions.

L'interesse nei confronti dello studio di particelle di dimensioni nanometriche nasce dalle loro proprietà ottiche, derivanti dai cosiddetti "plasmoni localizzati di superficie" (LSPs). Gli LSPs sono oscillazioni di elettroni liberi delle nanoparticelle metalliche, indotte dall'accoppiamento con un campo elettromagnetico incidente. I loro principali effetti ottici sono trattati in termini di assorbimento e dispersione della luce e sono soprattutto osservabili nelle regioni spettrali dove si manifesta la risonanza degli LSPs. In questo lavoro ci siamo concentrati sullo studio di nanoparticelle d’oro. Abbiamo eseguito misure di pump-probe su nanosfere e nanoantenne, al fine di esaminare la loro risposta ottica, risolta in tempo, sia nel regime dei femtosecondi, sia in quello dei picosecondi, mettendo così in luce tanto il contributo di dimensione, forma e cristallinità delle particelle, quanto l’effetto dell’ambiente circostante. Una parte rilevante di questa tesi interessa lo studio delle oscillazioni acustiche, lanciate in modo coerente nelle nanoparticelle da un’eccitazione laser impulsiva. Per quanto concerne le nanosfere, abbiamo trovato un andamento lineare sia del periodo e dello smorzamento delle oscillazioni rispetto al loro raggio, sia della costante di tempo di rilassamento elettrone-fonone, in funzione dell'intensità dell’eccitazione ottica. Per ciascuno di questi processi abbiamo poi studiato il contributo fornito dalla cristallinità delle particelle. Per quel che concerne invece le nanoantenne, abbiamo verificato come la presenza del substrato modifichi l'andamento tanto del periodo delle oscillazioni acustiche, quanto del loro smorzamento in funzione della loro lunghezza. Infine, abbiamo analizzato il contributo dato dallo spostamento della risonanza plasmonica rispetto a quello fornito dal suo allargamento nello studio delle oscillazioni acustiche, evidenziando il ruolo svolto in questo senso dalle transizioni interbanda.