Real-time investigation of surface plasmon plariton propagation in nanoscale plasmonic phase structures

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Aeschlimann; Professor Dr. Egbert Oesterschulze
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 138733244

Die Ziele dieses Projekts sind die zeitaufgelöste Untersuchung a) der fundamentalen Wechselwirkungsmechanismen von SPPs mit rein phasenmanipulativen nanostrukturierten Materialien und b) der damit verbundenen strahlenden und nicht-strahlenden Zerfallskanäle. Die Entwicklung funktioneller plasmonischer Nanostrukturen wurde in den letzten Jahren signifikant verbessert. Dennoch scheitert ihre Implementierung noch immer an den Verlusten insbesondere im optischen Spektralbereich. Es existieren zwar diverse Vorschläge zur Verlustkompensation; das dafür nötige mikroskopische Verständnis der Dämpfung als Folge der fundamentalen Wechselwirkung zwischen Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (SPP) und Materie liegt bisher jedoch nicht vor. Für die gerichtete Propagation von SPP's in nanoskaligen Systemen wurde bisher allein die invasive Strukturierung (meist Ionenätzen oder Elektronstrahllithographie) metallischer Filme benutzt, um die laterale Amplitudenverteilung zu definieren ohne aber gezielt in die Phasenverteilung eingreifen zu können. Wir fügen der Funktion zukünftiger SPP-Bauelemente einen neuen Freiheitsgrad hinzu. Um topographiebedingte Streuverluste zu vermeiden, verzichten wir auf die Nanostrukturierung durch Subtraktion. Dagegen soll durch die nanoskalige Ionenimplantation die laterale dielektrische Funktion des Materials so modifiziert werden, dass die Phasenverteilung eines SPP maßgeschneidert werden kann. Damit sollen topographiefreie plasmonische Phasenstruktur (PPS) realisiert werden, die eine komplexe Manipulation von SPPs zulassen. Die Charakterisierung der PPS muss die Untersuchung der dynamischen elektronischen wie optischen Eigenschaften im Metallfilm bei gleichzeitig hoher Zeit- und Ortsauflösung umfassen. Die elektronischen Eigenschaften und der Einfluss der Ionenimplantation auf die elektronische Bandstruktur werden mittels zeitlich/räumlich höchstauflösender Photoelektronenemissionsmikroskopie (PEEM) untersucht. Das Photoelektronenspektrum enthält Informationen über die elektronische Zustandsdichte sowie die optische Kopplung von besetzten und unbesetzten Zuständen, aus denen die Zerfallskanäle bei der Relaxation eines SPPs in ein Elektron-Loch-Paar und ihre Abhängigkeit von der Ionenimplantation extrahiert werden können. Die optischen Eigenschaften werden mit der optischen (Raster-)Nahfeldmikroskopie (SNOM) mit ähnlicher Zeit- und Ortsauflösung untersucht. Um das inhärente Problem der Apertursonden ihre geringe Zeitauflösung zu lösen, wird die neuartige spektral breitbandige White Light Nanoscopy implementiert. Dazu werden dielektrische Kugeln als Mie-Streuer in die bestehenden Cantileversonden integriert. Durch Kombination beider Techniken erfolgt erstmals eine umfassende materialspezifische Charakterisierung. Das Ziel der PPS ist es komplexe Funktionalitäten wie Spiegel, Resonatoren, Spektralfilter etc. in ein SPP-Bauelement zu integrieren und abschätzen zu können, welche Möglichkeiten die Implantation für die Phasenformung bietet.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1391: Ultrafast Nanooptics
• Großgeräte: OPO-System
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser
• Beteiligte Institution: Institut für Oberflächen- und Schichtanalytik GmbH; an der Universität Kaiserslautern (IFOS); Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau; Nano Structuring Center (NSC)