Optische Nahfeld-Wechselwirkungen von Plasmonen mit ihrer Umgebung

Sprafke, Alexander; von Plessen, Gero

doi:5000

Optische Nahfeld-Wechselwirkungen von Plasmonen mit ihrer Umgebung = Optical near-field interactions of plasmons with their environment

Sprafke, Alexander (Author)

2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Alexander Nicolas Sprafke

ImpressumAachen 2014

UmfangVI, 172 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
von Plessen, Gero (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-01-20

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-50008
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229086/files/5000.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Nanophotonik (Genormte SW) ; Plasmon (Genormte SW) ; Oberflächenplasmon (Genormte SW) ; Physik (frei) ; dielektrische Gitter, Dipolemitter (frei) ; metallische Nanopartikel (frei) ; dielectric gratings, dipole emitters (frei) ; metallic nanoparticles (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Metallische Nanostrukturen weisen einzigartige optische Eigenschaften auf. Diese haben ihre Ursache in Plasmonanregungen, den resonanten und kollektiven Oszillationen der Leitungsbandelektronen im Metall. Plasmonen führen zu resonant erhöhter Lichtstreuung und -absorption, hohen Verstärkungen des optischen Nahfelds im Vergleich zum ein- bzw. abgestrahlten Lichtfeld, und starker Lokalisation von Lichtenergie auf subwellenlängen große Bereiche. Resonanzfrequenz und -breite des Plasmons sind nicht nur von der metallischen Nanostruktur selbst, sondern in besonderem Maße auch von der Umgebung der Struktur abhängig. Diese Eigenschaften machen metallische Nanostrukturen für eine Vielzahl von Anwendungen interessant, beispielsweise als neuartige Sensoren, miniaturisierte optische Elemente, und für das Lichtmanagement in LEDs oder Solarzellen. In der vorliegenden Dissertation werden die optischen Nahfeld-Wechselwirkungen von Plasmonen mit ihrer Umgebung untersucht. Es werden sowohl Oberflächenplasmonen, d.h. Elektronendichteoszillationen, die als Welle entlang einer Metalloberfläche propagieren, als auch Partikelplasmonen, also Elektronendichteoszillationen, die an ein metallisches Nanopartikel gebunden sind, behandelt. Der erste Teil dieser Arbeit widmet sich Oberflächenplasmonen in einer periodisch modulierten Umgebung. Die periodische Modulation liegt als hochbrechendes dielektrisches Gitter vor, das auf einem glatten Metallfilm aufgebracht ist. Das Gitter ermöglicht die Anregung von Oberflächenplasmonen durch Lichteinfall und beeinflusst gleichzeitig die Dispersionsrelation des Oberflächenplasmons stark. Insbesondere kommt es zur Ausbildung von Bandlücken, welche hier zusammen mit den Bandkanten-Moden, d.h. den Oberflächenplasmon-Moden am oberen und unteren Rand der Bandlücke, im Mittelpunkt des Interesses stehen. Experimentell und mittels rigoroser elektrodynamischer Rechnungen werden die Abhängigkeiten der plasmon-polaritonischen Dispersionsrelation von den Gitterparametern sowohl im Fern- als auch im Nahfeld untersucht. Es werden starke Abhängigkeiten gefunden. So reagiert die Bandlückenbreite äußerst sensibel auf die exakten Gitterparameter. Dies gilt ebenso für die Strahlungsdämpfung der Bandkantenmoden, die, wie hier gezeigt wird, stark variieren kann und eine wichtige Größe darstellt in Hinblick auf mögliche Anwendungen. In dieser Arbeit werden die physikalischen Ursachen dieser Effekte, die u.a. in der Kopplung mit weiteren Resonanzen der Struktur zu finden sind, diskutiert. Die Ergebnisse stellen wichtige Beiträge für das Verständnis von Oberflächenplasmonen in periodischen Strukturen dar. Im zweiten Teil werden die Wechselwirkungen von metallischen Nanopartikeln und Dipolemittern, d.h. oszillierenden Punktdipolen, untersucht. Sowohl die Anregungsrate, welche die Energieaufnahme des Emitters aus einfallendem Licht beschreibt, als auch die strahlende Quanteneffizienz eines verlustbehafteten Emitters, die das Emissionsvermögen des Emitters beschreibt, können durch die Kopplung zwischen dem Partikelplasmons des Nanopartikels und dem Dipolemitter stark erhöht sein. In diesem Fall wirkt das Partikel als optische Nanoantenne. Dieses Phänomen könnte sich beispielsweise zur Erhöhung der Konversionseffizienz von LEDs oder Solarzellen ausnutzen lassen. In dieser Arbeit wird erstmalig der Einfluss eines scheibchenförmigen Aluminiumpartikels auf die genannten Größen detailliert untersucht. Scheibchenförmige Partikel lassen sich gegenüber kugelförmigen Nanopartikeln, deren Einfluss auf Dipolemitter schon seit einer Reihe von Jahren Gegenstand der Forschung sind, mit geringerem experimentellen Aufwand in genauer räumlicher Anordnung, in großer Zahl und großflächig auf Substraten präparieren, was als vorteilhaft für mögliche Anwendungen zu werten ist. Die Untersuchungen zeigen, dass scheibchenförmige Aluminiumpartikel kugelförmigen Silberpartikeln, die als Referenz dienen, in den meisten Fällen weit überlegen sind bezüglich ihrer anregungs- und emissionsverstärkenden Wirkung auf Dipolemitter. Im Rahmen der Diskussion wird ein Modell eingeführt, das in der Lage ist, die physikalischen Mechanismen, die hinter den gefundenen Abhängigkeiten stehen, qualitativ zu erklären. Die Ergebnisse werden anhand dieses Modells und zusätzlicher rigoroser numerischer Berechnungen dargelegt.

Metallic nanostructures exhibit unique optical properties. These are caused by plasmon excitations, which constitute resonant and collective oscillations of the conduction electrons of the metal. Plasmons feature resonantly enhanced light scattering and absorption, strong enhancements of the optical near field in comparison with the irradiated or emitted light, and strong localization of light energy into subwavelength volumes. Resonance frequency and width of the plasmon are not only dependent on the metallic nanostructure itself but in particular on the surroundings of the structure. These properties of metallic nanostructures may be interesting for a multitude of applications, e.g. novel sensors, miniaturized optical elements, and light management in LEDs or solar cells. In the work presented in this thesis, the optical nearfield interactions of plasmons with their environment are investigated. Here, surface plasmons, which are electron density oscillations propagating along a metal surface, as well as particle plasmons, which are electron density oscillations bound to a metallic nanoparticle, are covered. The first part of this thesis is dedicated to surface plasmons in periodically modulated surroundings. The periodic modulation is introduced by a high-refractive index dielectric grating covering a smooth metal film. The grating enables the excitation of surface plasmons by light irradiation and at the same time strongly influences the dispersion relation of the surface plasmon. In particular, band gaps emerge which together with the band edge modes, i.e. the surface plasmon modes at the upper and lower edges of the band gap, are the focal point of this work. The dependence of the near and far field properties of the plasmon-polaritonic dispersion relation on the grating parameters are investigated experimentally, theoretically and by rigorous electrodynamical calculations. Strong dependencies are found. The band gap width responds extremely sensitively on the exact grating parameters. As will be shown here, this also applies to the radiation damping of the band edge modes, which may vary over a broad range and constitutes an important quantity with regard to potential applications. In this work, the physical causes of these effects, e.g. coupling with further resonances of the grating, are discussed. The results constitute an important contribution to the understanding of surface plasmon in periodic structures. The interactions between metallic nanoparticles and dipole emitters, i.e. oscillating point dipols, are investigated in the second part of this thesis. The excitation rate, which describes the gain of energy of an emitter from incoming light, as well as the radiative quantum efficiency of a lossy emitter, which describes the emission capability of an emitter, can be enhanced by the coupling between the particle plasmon of a nanoparticle and the dipole emitter. In this case, the particle acts as an optical nanoantenna. This phenomenon may be exploited, e.g., to increase the conversion efficiency of LEDs or solar cells. In this work, the influence of an aluminum nanodisk on the aforementioned quantities is investiged in detail for the first time. Disk shaped particles can be prepared in well-defined spatial arrangements, in a large number, and on large areas onto a substrate with less experimental effort than spherical particles, which is advantageous in terms of possible applications. Silver nanospheres have already been subject of much previous research in the literature and serve here as a reference. The investigations reveal that regarding excitation and emission enhancement of a dipole emitter an aluminum nanodisk outperforms a silver nanosphere in most circumstances. Within the discussion section, a model is introduced which is able to describe the physical mechanisms of the discovered dependencies qualitatively. The results are explained on the basis of this model and supporting rigorous numerical calculations.

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