High frequency acoustics in colloid-based meso- and nanostructures by spontaneous Brillouin light scattering

Materials that can mold the flow of elastic waves of certain energy in certain directions are called phononic materials. The present thesis deals essentially with such phononic systems, which are structured in the mesoscale (<1 µm), and with their individual components. Such systems show interesting phononic properties in the hypersonic region, i.e., at frequencies in the GHz range. It is shown that colloidal systems are excellent model systems for the realization of such phononic materials. Therefore, different structures and particle architectures are investigated by Brillouin light scattering, the inelastic scattering of light by phonons.rnThe experimental part of this work is divided into three chapters: Chapter 4 is concerned with the localized mechanical waves in the individual spherical colloidal particles, i.e., with their resonance- or eigenvibrations. The investigation of these vibrations with regard to the environment of the particles, their chemical composition, and the influence of temperature on nanoscopically structured colloids allows novel insights into the physical properties of colloids at small length scales. Furthermore, some general questions concerning light scattering on such systems, in dispute so far, are convincingly addressed.rnChapter 5 is a study of the traveling of mechanical waves in colloidal systems, consisting of ordered and disordered colloids in liquid or elastic matrix. Such systems show acoustic band gaps, which can be explained geometrically (Bragg gap) or by the interaction of the acoustic band with the eigenvibrations of the individual spheres (hybridization gap).rnWhile the latter has no analogue in photonics, the presence of strong phonon scatterers, when a large elastic mismatch between the composite components exists, can largely impact phonon propagation in analogy to strong multiple light scattering systems. The former is exemplified in silica based phononic structures that opens the door to new ways of sound propagation manipulation.rnChapter 6 describes the first measurement of the elastic moduli in newly fabricated by physical vapor deposition so-called ‘stable organic glasses’. rnIn brief, this thesis explores novel phenomena in colloid-based hypersonic phononic structures, utilizing a versatile microfabrication technique along with different colloid architectures provided by material science, and applying a non-destructive optical experimental tool to record dispersion diagrams.rn

Materialien, welche die Fortpflanzung mechanischer Wellen von bestimmter Wellenlänge oder in bestimmte Richtungen steuern können, nennt man phononisch. Die vorliegende Dissertation befasst sich vorwiegend mit solchen phononischen Systemen, die mesoskopisch (<1 µm) strukturiert sind, und mit deren Komponenten. Derartige Systeme zeigen interessante phononische Eigenschaften im Bereich von Hyperschall, d.h. bei Frequenzen im GHz-Bereich. Es wird gezeigt, dass kolloidale Systeme exzellente Modellsysteme zur Realisierung derartiger phononischer Materialien sind. Dazu werden unterschiedliche Strukturen und Partikelarchitekturen mittels Brillouin Lichtstreuung, der inelastischen Streuung von Licht an Phononen, untersucht.rnDer experimentelle Part dieser Arbeit ist in drei Kapitel gegliedert: Kapitel 4 befasst sich mit den lokalisierten mechanischen Wellen in den einzelnen sphärischen kolloidalen Partikeln, d.h. mit deren Resonanz- oder Eigenschwingungen. Die Untersuchung dieser Schwingungen hinsichtlich der Umgebung der Partikel, deren chemischer Zusammensetzung und des Einflusses der Temperatur in nanoskopisch strukturierten Kolloiden ermöglicht neue Erkenntnisse über physikalische Eigenschaften der Kolloide auf kleinen Längenskalen. Außerdem können grundsätzliche, bislang kontrovers diskutierte, Fragen bezüglich der Lichtstreuung an solchen Systemen geklärt werden.rnKapitel 5 beinhaltet die Untersuchung der Ausbreitung mechanischer Wellen in kolloidalen Systemen, bestehend aus geordneten und ungeordneten Kolloiden in flüssiger oder elastischer Matrix. Solchen Systemen zeigen akustische Bandlücken, die teilweise geometrisch begründet sind (Bragg gap) oder durch die Interaktion des akustischen Bands mit den Eigenschwingungen der einzelnen Kolloide hervorgerufen werden (hybridization gap). rnWährend letzterer keine Analogie im Bereich photonischer Kristalle hat, kann die Anwesenheit starker Phononenstreuer, sofern ein großer elastischer Kontrast zwischen den Komponenten besteht, die Ausbreitung von Phononen stark beeinflussen, in Analogie zu stark das Licht mehrfachstreuenden Systemen. Dies wird am Beispiel silikabasierter phononischer Strukturen demonstriert, welche neue Wege zur Manipulation der Schallausbreitung aufzeigen.rnIn Kapitel 6 wird die erste Messung der elastischen Moduln neuartiger „stabiler organischer Gläser“ beschrieben, die durch physikalische Gasphasen-Abscheidung hergestellt wurden.rnZusammenfassend beschreibt diese Dissertation neuartige Phänomene in kolloidbasierten hypersonischen phononischen Strukturen. Dabei macht sie sich eine vielseitige Mikrofabrikationstechnik zusammen mit verschiedenen Kolloidstrukturen, die von den Materialwissenschaften zur Verfügung gestellt werden, zu Nutze und verwendet ein nicht-destuktives optisches experimentelles Werkzeug, um Dispersionsdiagramme aufzunehmen.rn