Mechanisch steuerbare Dehnungskontakte: Untersuchung von Quanteneffekten und starken, plasmonischen Kopplungen in ultrakleinen Spalten

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Kai Braun; Professorin Dr. Monika Fleischer
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 287911648

Seit etwa einem Jahrzehnt werden zweiarmige Antennen für sichtbares Licht intensiv untersucht. Häufig wird dabei die hohe Verstärkung der elektrischen Felder durch Kopplung über den Antennen-Spalt genutzt. Die Antennen können über einen weiten spektralen Bereich durchgestimmt werden. Viele neuartige Technologien der Nanophotonik, wie z.B. optische Sensoren, basieren auf der Kontrolle dieser plasmonischen Kopplung. Der Abstand zwischen den metallischen Nanostrukturen beträgt typischerweise einige Zehn bis zu wenigen Nanometern. Erst kürzlich gelang einigen Gruppen die Herstellung von Abständen unter einem Nanometer, wobei neue Phänomene wie kohärentes Quantentunneln beobachtet werden konnten. Solche Effekte könnten für die nanoskalige Optoelektronik entscheidend werden und den Weg hin zur Einzelmolekül-Optoelektronik ebnen.Allerdings bleiben reproduzierbare und stabile experimentelle Bedingungen mit Spalten unter einem Nanometer eine anspruchsvolle Herausforderung. Die bisher präsentierten Methoden sind meist nicht geeignet, um Strukturen zu erzeugen, die bei einer vorselektierten optischen Frequenz resonant sind, da ihre plasmonischen Eigenschaften stark von den zufälligen Herstellungsprozessen abhängen.Im vorliegenden Projekt wird der Ansatz von mechanisch steuerbaren Bruchkontakten (MCBJs) zu mechanisch steuerbaren Dehnungskontakten (MCSJs) erweitert. MCBJs haben selbst bei Umgebungsbedingungen hervorragende Eigenschaften bei der Messung von Tunneleffekten und Einzelmolekül-Leitfähigkeit gezeigt. Leider weisen sie nur geringe Kontrolle über die Geometrie der Lücke auf, die sich zwischen den Elektroden ergibt. Nach ersten Testmessungen an MCBJs werden wir den neuartigen Ansatz von MCSJs verfolgen, um geometrisch und optisch besser kontrollierbare Antennen mit minimalen Spalten zu erzielen. Die Formen der plasmonischen Spitzen einer MCSJ werden lithografisch auf einem vorgedehnten flexiblen Substrat definiert. Dieses wird anschließend kontrolliert entspannt, um die Spitzen anzunähern.Ziel dieses Projekts ist es, einen wohldefinierten, variablen Aufbau für die Untersuchung des Zusammenspiels zwischen den optischen und elektronischen Eigenschaften eines Nano-Spalts zwischen metallischen Antennen zu realisieren. Dabei sollen sowohl reine, als auch durch Moleküle überbrückte zweiarmige Antennen bei Umgebungsbedingungen mit einer Positioniergenauigkeit von unter einem Nanometer untersucht werden. Mit diesem Setup soll das Regime der starken Kopplung und der Quantenplasmonik adressiert werden. Dazu werden Ergebnisse aus Lumineszenz-, elektronischen Transport- und Raman-Untersuchungen an dem exakt gleichen System unter Variation der Antennengeometrie, Spaltbreite, Bias-Spannung und Überbrückungs-Moleküle gesammelt. Das Projekt zielt darauf ab, neue Erkenntnisse über die plasmonische Modenverteilung, die Rolle des evaneszenten Nahfeldes und des elektrischen Biasings sowie die molekulare Leitfähigkeit im Regime starker Kopplung zu gewinnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen