Maximilian Thomas Ochs

• Metallic nano-optical systems allow to confine and guide light at the nanoscale, a fascinating ability which has motivated a wide range of fundamental as well as applied research over the last two decades. While optical antennas provide a link between visible radiation and localized energy, plasmonic waveguides route light in predefined pathways. So far, however, most experimental demonstrations are limited to purely optical excitations, i.e. isolated structures are illuminated by external lasers. Driving such systems electrically andMetallic nano-optical systems allow to confine and guide light at the nanoscale, a fascinating ability which has motivated a wide range of fundamental as well as applied research over the last two decades. While optical antennas provide a link between visible radiation and localized energy, plasmonic waveguides route light in predefined pathways. So far, however, most experimental demonstrations are limited to purely optical excitations, i.e. isolated structures are illuminated by external lasers. Driving such systems electrically and generating light at the nanoscale, would greatly reduce the device footprint and pave the road for integrated optical nanocircuitry. Yet, the light emission mechanism as well as connecting delicate nanostructures to external electrodes pose key challenges and require sophisticated fabrication techniques. This work presents various electrically connected nano-optical systems and outlines a comprehensive production line, thus significantly advancing the state of the art. Importantly, the electrical connection is not just used to generate light, but also offers new strategies for device assembly. In a first example, nanoelectrodes are selectively functionalized with self-assembled monolayers by charging a specific electrode. This allows to tailor the surface properties of nanoscale objects, introducing an additional degree of freedom to the development of metal-organic nanodevices. In addition, the electrical connection enables the bottom-up fabrication of tunnel junctions by feedback-controlled dielectrophoresis. The resulting tunnel barriers are then used to generate light in different nano-optical systems via inelastic electron tunneling. Two structures are discussed in particular: optical Yagi-Uda antennas and plasmonic waveguides. Their refined geometries, accurately fabricated via focused ion beam milling of single-crystalline gold platelets, determine the properties of the emitted light. It is shown experimentally, that Yagi-Uda antennas radiate light in a specific direction with unprecedented directionality, while plasmonic waveguides allow to switch between the excitation of two propagating modes with orthogonal near-field symmetry. The presented devices nicely demonstrate the potential of electrically connected nano-optical systems, and the fabrication scheme including dielectrophoresis as well as site-selective functionalization will inspire more research in the field of nano-optoelectronics. In this context, different future experiments are discussed, ranging from the control of molecular machinery to optical antenna communication.…
• Nano-optische Systeme ermöglichen es, Licht auf der Nanoskala zu fokussieren und zu leiten - eine faszinierende Fähigkeit, die in den letzten zwei Jahrzehnten ein breites Spektrum an Grundlagen- und angewandter Forschung motiviert hat. Während optische Antennen lokalisierte Energie mit sichtbarer Strahlung verknüpfen, leiten plasmonische Wellenleiter das Licht in vordefinierte Bahnen. Bislang jedoch beschränken sich die meisten Experimente auf isolierte Strukturen, die durch externe Lichtquellen angeregt werden. Die elektrisch getriebeneNano-optische Systeme ermöglichen es, Licht auf der Nanoskala zu fokussieren und zu leiten - eine faszinierende Fähigkeit, die in den letzten zwei Jahrzehnten ein breites Spektrum an Grundlagen- und angewandter Forschung motiviert hat. Während optische Antennen lokalisierte Energie mit sichtbarer Strahlung verknüpfen, leiten plasmonische Wellenleiter das Licht in vordefinierte Bahnen. Bislang jedoch beschränken sich die meisten Experimente auf isolierte Strukturen, die durch externe Lichtquellen angeregt werden. Die elektrisch getriebene Lichterzeugung auf der Nanoskala reduziert den Platzbedarf dieser Systeme erheblich und ebnet so den Weg für optische Nano-Schaltkreise. Allerdings stellen sowohl die Lichtemission als auch die Kontaktierung der Nanostrukturen erhebliche Herausforderungen dar. In dieser Arbeit werden verschiedene elektrisch kontaktierte nano-optische Systeme vorgestellt. Eine zentrale Rolle spielt dabei die Kontaktierung - nicht nur für die Lichterzeugung, sondern auch für die Fabrikation der jeweiligen Strukturen. In einem ersten Beispiel werden Nanoelektroden durch Anlegen einer Spannung selektiv mit molekularen Monolagen beschichtet. Dadurch können die chemischen und elektronischen Oberflächeneigenschaften von Nanoobjekten maßgeschneidert werden, was einen zusätzlichen Freiheitsgrad bei der Entwicklung von optoelektronischen Nanosystemen darstellt. Darüber hinaus ermöglicht die elektrische Kontaktierung die Herstellung von Tunnelbarrieren mittels Dielektrophorese, was die Lichterzeugung in verschiedenen nano-optischen Systemen durch inelastisches Elektronentunneln ermöglicht. Hier werden zwei Strukturen diskutiert: optische Yagi-Uda-Antennen und plasmonische Wellenleiter. Ihre ausgeklügelten Geometrien, hergestellt aus einkristallinen Goldflocken mittels fokussiertem Ionenstrahl, bestimmen die Eigenschaften des emittierten Lichts. Es wird gezeigt, dass Yagi-Uda-Antennen das Licht gezielt in eine bestimmte Richtung abstrahlen, während plasmonische Wellenleiter das Schalten zwischen zwei propagierenden Moden ermöglichen. Damit demonstriert diese Arbeit das Potenzial von elektrisch kontaktierten nano-optischen Systemen und wird - in Kombination mit Dielektrophorese und selektiver Funktionalisierung - weitere Forschungen auf dem Gebiet der Nano-Optoelektronik anregen. In diesem Zusammenhang werden verschiedene zukünftige Experimente, von der Steuerung molekularer Maschinen bis zur optischen Antennenkommunikation, diskutiert.…