Effiziente Oberfläschenplasmonen-Generation in resonanten Strukturen durch inelastisches Elektronentunneln

• Antragsteller: Professor Dr. Lukas M. Eng; Professor Dr. Bert Hecht
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 223355671

Oberflächenplasmonen-Polaritonen (SPPs) sind elementare Anregungen welche einen hybriden Cha-rakter von Elektronendichteoszillationen und oberflächengebundenen lokalisierten Photonen aufwei-sen. SPPs wechselwirken daher stark mit Photonen und Elektronen sofern Energie- und Impulserhal-tung gegeben sind. Erstaunlicherweise ist die aktuelle Forschung im Gebiet der Plasmonik jedoch nahezu ausschließlich auf die Anregung und Detektion von SPPs mittels propagierender oder lokali-sierter photonischer Felder konzentriert und die Wechselwirkung von SPPs mit geladen Teilchen - wie zum Beispiel Elektronen - hingegen wird viel seltener betrachtet.Daher streben wir hier eine systematische Studie der Anregungen von lokalisierten Oberflächenplas-monen (LSPs) durch Tunneln von Elektronen in resonante plasmonische Strukturen an. Ziel ist es, das Potential für eine Optimierung der Effizienz der Plasmonengeneration auszuloten. Das Kernstück unseren Ansatzes, welches uns von bisherigen Studien abhebt, ist die Kombination von präzise kon-trollierbaren Tunnelbarrieren mit plasmonischen Resonantoren aus atomar flachen monokristallinen Goldnanostrukturen. Eine Ursache für die erwartete gesteigerte Effizienz der Elektronen-Plasmonen-Konversion ist die stark erhöhte lokale Zustandsdichte in den Hot-spots der Resonatoren.Wir schlagen vor, die Untersuchungen und Nutzung der Plasmonengeneration in drei komplementären Ansätzen durchzuführen: (a) durch räumlich selektive Elektroneninjektion mittels Rastertunnelmik-roskopie, (b) durch vertikales Tunneln über eine dünne Isolatorschicht in sandwichartigen Strukturen und (c) durch Tunnel über einen lateralen Spalt in elektrisch kontaktierten Antennenstrukturen welche auf Quarzoberflächen präpariert werden. Während die erste Geometrie uns eine Variation der Injekti-onsposition erlaubt, fällt in den beiden anderen Fällen die Position des Tunnelstroms intrinsisch mit den Regionen der höchsten Feldintensitäten zusammen.Um dieses Forschungsprogramm zu realisieren, ist das Projekt als eine Gemeinschaftsanstrengung von zwei Gruppen vorgesehen: Prof. Bert Hechts Arbeitsgruppe an der Universität Würzburg und Prof. Lukas M. Engs Gruppe an der TU Dresden, welche mit ihren Kompetenzen im Bereich Nanostruktu-rierung von monokristallinen Goldflocken bis hin zu elektrisch kontaktierten optischen Antennen einer-seits und präziser aktiver Kontrolle von Tunnelbarrieren sowie einer Erfolgsbilanz im Hinblick auf elektrische Anregung von SPPs andererseits beitragen.Zusammenfassend erwarten wir ein großes Anwendungspotential der elektrischen Anregung von Plasmonen. Von besonderem Interesse ist dabei eine Verbesserung der Effizienz von robusten und hintergrundfreien Einzelplasmonen-(Photonen-)Quellen sowie die Konversion von elektrisch angereg-ten lokalisierten Plasmonen in propagierende SPPs. Weiterhin wollen wir die Abstrahlcharakteristik der genannten Quellen kontrollieren sowie experimentell die elektrische Verstärkung von SPPs verifizieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen