Optical properties of metallic photonic crystal structures [Elektronische Ressource] / vorgelegt von André Christ

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• Publié le: 01 janvier 2005
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• Langue: Deutsch
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Extrait

Max-Planck-Institut fur Festkorperforschung˜ ˜
Stuttgart
Optical properties of
metallic photonic crystal structures
Andr¶e Christ
Dissertation an der
Philipps-Universit˜at Marburg
August 2005Optical properties of metallic photonic
crystal structures
Dissertation
zur
Erlangung des Doktorgrades
der Naturwissenschaften
(Dr. rer. nat.)
dem
Fachbereich Physik
der
Philipps-Universitat Marburg˜
vorgelegt von
Andr¶e Christ
aus Marburg
Marburg/Lahn 2005Vom Fachbereich Physik der Philipps-Universitat Marburg˜
als Dissertation angenommen am: 15.09.2005
Erstgutachter: Professor Dr. H. W. Giessen
Zweitgutachter: Dr. W. W. Ruhle˜
Tag der mundlichen Prufung: 30.09.2005˜ ˜Bei Beobachtung sind selbst die Irrtumer˜ nutzlic˜ h,
indem sie aufmerksam machen
und dem Scharfsichtigen Gelegenheit geben,
sich zu ub˜ en.
J. W. von Goethe, 1784Zusammenfassung
Im Rahmen dieser Arbeit werden resonante Kopplungsph˜anomene in periodisch
angeordnetenMetallstrukturenmitHilfespektroskopischerVerfahrenuntersucht.
Das Verstandnis dieser grundlegenden Phanomene ist besonders im Hinblick auf˜ ˜
zukunftige˜ technologische Anwendungen vergleichbarer Nanostrukturen von be-
sonderer Bedeutung. Generell sind metallische Nanostrukturen heute sowohl von
gro…emwissenschaftlichemalsauchtechnischemInteresse,dasiedieRealisierung
neuartigeroptischerMaterialien,sogenannterMetamaterialien,erm˜oglichen.Als
Metamaterialien werden unter anderem solche Verbundmaterialien bezeichnet,
die ungewohnliche - in der Natur nicht vorhandene - elektromagnetische Eigen-˜
schaftenaufweisen.Dieau…ergewohnlic˜ henoptischenEigenschaftennanostruktu-
rierter Metalle sind generell auf die mogliche Anregung von Partikel- oder Ober-˜
?achenplasmonen zuruckzufuhren. So genannte Ober achenplasmon-Polaritonen˜ ˜ ˜ ˜
entstehenimAllgemeinendurchdiekoharen˜ teWechselwirkungderLeitungsband-
elektronen mit elektromagnetischen Feldern an der Grenz ache zwischen dielek-˜
trischen und metallischen Materialien. Es handelt sich dabei im Prinzip um eine
kollektiveAnregungdesElektronensystems,diesichanderOber ˜achegemeinsam
miteinerelektromagnetischenWelleausbreitet.DieAnregungvonPlasmonenmo-
den fuhrt generell zur raumlichen Konzentration elektromagnetischer Felder an˜ ˜
der Metallober ac˜ he und kann so zum Beispiel zur Verst˜arkung unterschiedlicher
Prozesse genutzt werden (z.B. Ramanstreuung oder Photolumineszenz).
GegenstanddieserArbeitistdieUntersuchungderlinearenoptischenEigenschaf-
ten vonperiodischangeordneten Metall-Nanodrah˜ ten, die auf dielektrischen oder
metallischen Substraten aufgebracht sind. Die verwendeten Nanostrukturen kon-˜
nendabeiderneuenMaterialklassedersogenanntenpolaritonischenphotonischen
Kristallezugeordnetwerden.ImGegensatzzureindielektrischenNanostrukturen,
deren Transmissionsspektren durch die Anregung geometrischer Resonanzen ge-
kennzeichnet sind, k˜onnen die Spektren der verwendeten metallischen photoni-
schen Kristalle zusatzlic˜ he elektronische Resonanzen im sichtbaren Spektralbe-vi
reich aufweisen. Diese als Partikelplasmon bezeichneten Resonanzen sind auf die
Kollektivschwingung der Leitungsbandelektronen in den einzelnen Nanodrah˜ ten
zuruckzufuhren. Eine sehr wichtige Fragestellung ist in diesem Zusammenhang,˜ ˜
in wie weit mogliche elektromagnetische Kopplungsphanomene die optischen Ei-˜ ˜
genschaften der untersuchten metallischen Nanostrukturen zusatzlic˜ h bein ussen
konnen.SowohldiedirekteelektromagnetischeWechselwirkungzwischendenein-˜
zelnen Nanodrah˜ ten, als auch die moglic˜ he Wec mit verschiedenen
Ober ac˜ henmoden sollen im Rahmen dieser Arbeit eingehender betrachtet wer-
den.NebenderVerwendungverschiedenerdielektrischerSubstratewirdvorallem
derEin ussmetallischerSubstratschichtendemonstriert.ZielderUntersuchungen
ist es dabei, generell ein besseres und genaueres Verstandnis˜ der physikalischen
UrsachenderbeobachtetenKopplungsphanomenezuerhalten.ImRahmendieser˜
ArbeitkommensowohlexperimentelleMethodenalsauchtheoretischeSimulatio-
nenzurAnwendung,umeinentieferenEinblickindiekomplexenZusammenh˜ange
zu ermoglichen. Die Arbeit belegt eindeutig, dass sowohl die Entstehung von˜
PolaritonmodenalsauchsogenannteHybridisierungsefiekte die optischenTrans-
missionseigenschaften sehr stark beein ussen. Die beobachteten grundlegenden
KopplungsphanomenekonnenmoglicherweisezurEntwicklungoderOptimierung˜ ˜ ˜
neuartiger optischer Bauelemente genutzt werden.
Die vorgelegte Arbeit ist in mehrere voneinander unabhangige Kapitel unterteilt.˜
Zusatzlich zur ausfuhrlichen Einleitung kann die Arbeit im Wesentlichen in drei˜ ˜
Abschnitte gegliedert werden:
Im ersten Teil der Arbeit werden die optischen Eigenschaften von periodisch
angeordneten Metall-Nanodrah˜ ten vorgestellt, die mittels Elektronenstrahllitho-
graphie auf dielektrischen Substraten aufgebracht wurden. Die beobachteten op-
tischen Phanomene zeigen dabei eine sehr starke Abhangigkeit von der geometri-˜ ˜
schenDickederverwendetendielektrischenSubstratschichten.W˜ahrenddieSpek-
tren bei der Verwendung sehr dunner˜ dielektrischer Substrate durch so genannte
Rayleigh-Anomalien dominiert werden, fuhren wellenleitende Substrate zur Bil-˜
dung gekoppelter Polaritonmoden. Wie bereits durch Linden et al. in fruheren˜
Untersuchungen an regelm˜a…ig angeordneten Gold-Nanopartikel-Feldern demon-
striert werden konnte, sind die Spektren der verwendeten metallischen photon-
ischen Kristalle durch eine charakteristische Linienform der Plasmonresonanzen
gekennzeichnet. Ihm Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde erstmals der Nach-
weis erbracht, dass der als selektive Unterdruckung der Extinktion bezeichnete˜
Efiekt durch die starke Kopplung zwischen elektronischen und optischen Reso-
nanzenunddiedarausresultierendePolaritonbildungzuerkl˜arenist.Nebenlinea-vii
ren Transmissionsexperimenten kommen theoretische Simulationen zur Anwen-
dung,umeinedetailliertetheoretischeBeschreibungzuerm˜oglichen.Dieaufeiner
Streumatrix-Methode basierenden numerischen Rechnungen weisen eine sehr gu-
˜te Ubereinstimmung mit den experimentellen Resultaten auf. Es zeigt sich, dass
besonders die Moglic˜ hkeit zur genauen Simulation der elektromagnetischen Feld-
verteilung innerhalb der verwendeten Nanostrukturen bei der Interpretation der
optischen Eigenschaften eine gro…e Hilfe ist.
Im zweiten Teil der Arbeit werden Modiflkationen der optischen Eigenschaften,
die durch die Verwendung metallischer Substrate entstehen, ausfuhrlich disku-˜
tiert. Die periodisch angeordneten Metall-Nanodr˜ahte werden fur˜ diese Untersu-
chungenaufspeziellpraparierten˜ Metallfllmenaufgebracht.SokannzumBeispiel
derAbstandzwischenNanodraht-FeldundMetallfllmdurchvorherigesAufdamp-
fen einer dielektrischen Barrierenschicht sehr prazise˜ kontrolliert werden. Neben
der Anregung von lokalisierten Partikelplasmonen erm˜oglichen diese Strukturen
ebenfalls die Ausbildung ausgedehnter Ober achenplasmonmoden. Die Untersu-˜
chungderKopplungzwischendiesenlokalisiertenundausgedehntenPlasmonmo-
deninmetallischenphotonischenKristallenistvonbesonderemInteresse.Dieex-
perimentellen und theoretischen Ergebnisse zeigen eindeutig, dass die optischen
Transmissionsspektren dieser Strukturen sowohl Hybridisierungsphanomene˜ als
auch polaritonische Efiekte aufweisen. Wahrend die Hybridisierung eine Rotver-˜
schiebungderPlasmonresonanzzurFolgehat,fuhrtdiestarkeelektromagnetische˜
Wechselwirkungzwischenlokalisiertenund ausgedehntenPlasmonenzur Bildung
neuartiger Polaritonmoden. Die detaillierte Untersuchung umfasst eine Analyse
deroptischenPhanomeneinAbhangigkeitderdielektrischenBarrierendicke.Alle˜ ˜
˜numerischen Rechnungen zeigen wiederum eine sehr gute Ubereinstimmung mit
den experimentellen Resultaten.
Der letzte Abschnitt der Arbeit besch˜aftigt sich schlie…lich mit der detaillierten
theoretischenUntersuchungderoptischenEigenschaftendreidimensionalerNano-
drahtstrukturen, die als so genannte plasmonische Kristalle bezeichnet werden
konnen.˜ Streumatrix-basierende Rechnungen zeigen eindeutig, dass sowohl Nah-
feld- als auch Fernfeldkopplung eine starke Modiflkation der Transmissionseigen-
schaften der untersuchten metallischen photonischen Kristalle zur Folge haben.
Die dipolare Nahfeldwechselwirkung zwischen benachbarten Nanodrah˜ ten fuhrt˜
sozumBeispielzuausgepragten˜ Hybridisierungsefiekten,diesichdurcheinedeut-
liche spektrale Aufspaltung der Plasmonresonanzen bemerkbar machen. Es wird
gezeigt,dassdieenergetischeAufspaltungderentstehendenNormal-Modendabei
direktdurchdenvertikalenAbstandderNanodr˜ahtebestimmtwird.Dieebenfallsviii
vorhandene strahlende Kopplung fuhrt hingegen zur Modiflkation der Dephasie-˜
rungszeiten der Plasmonoszillationen, ein Ph˜anomen, das allgemein unter dem
Begrifi der Superradianz bekannt ist. Strahlungskopplung in Bragg-Strukturen
fuhrtgenerellzueinerbeschleunigtenDephasierungundsomitzurspektralenVer-˜
breiterungdertheoretischberechnetenPlasmonresonanzen.DieUntersuchungder
photonischen Bandlucke in metallischen Bragg-Strukturen bildet den Abschluss˜
der Arbeit. Die numerischen Simulationen zeigen, dass die untersuchten dreidi-
mensionalen Nanodrahtstrukturen durch eine deutliche Bandluc˜ ke im sichtbaren
Spektralbereich gekennzeichnet sind.