Interaction of Light and Matter in Metal-Semiconductor Hybrid Nanostructures

Leipold, David GND

Ultraschnelle Nanooptik erforscht das Verhalten von Licht in nanostrukturierten Materialien auf Femtosekunden-Zeitskalen und könnte damit den nächste großen Durchbruch in der Datenverarbeitung bringen. Das Wissen aus diesem Forschungsbereich ist die Grundlage für zukünftige rein optische Schaltungstechnik, die Daten viel schneller als herkömmliche Elektronik verarbeiten kann. An nanostrukturierten Metalloberflächen können Oberflächenplasmonen (SPPs) angeregt werden. Dabei handelt es sich um kollektive Schwingungen des Elektronengases im Metall und des elektromagnetischen Feldes. SPPs können Licht auf einen räumlichen Bereich fokussieren der kleiner als das Abbe-Limit ist und propagieren immer entlang der Metalloberfläche. Damit sind sie als Informationsträger in nanooptischen Geräten besonders geeignet. Organische und anorganische Halbleiter sind eine weitere wichtige Komponente in nanooptischen Bauteilen. Sie ermöglichen die Licht-Licht und Licht-Materie Wechselwirkung, die notwendig ist, um Licht zu verstärken und zu schalten. Die vorliegende Arbeit beschreibt theoretische Berechnungen, die in enger Zusammenarbeit mit experimentellen Kollegen entstanden. Der Modellierungsprozeß, der eng mit der Wahl der numerischen Methoden in Zusammenhang steht, wird erörtert. Desweiteren werden Auswertungsmethoden beschrieben, die die numerischen Ergebnisse mit experimentell zugänglichen Größen verknüpfen. Die Ergebnisse der Berechnungen werden zuletzt experimentellen Ergebnissen vergleichend gegenübergestellt. In ihrem ersten Teil diskutiert die vorliegende Arbeit subtile Aspekte der Anregung von SPPs auf Metallgittern, bei denen die Symmetrie des Gitters von den einzelnen Streuern gebrochen wird. Thema des zweiten Teils der Arbeit ist ein Metallgitter, welches mit einem Farbstoff beschichtet wurde. In einem solchen System bilden SPPs und Exzitonen im Farbstoff kollektive, gekoppelte Moden, die auch Excimon oder Plexciton genannt werden. Dies kann an der vermiedenen Kreuzung der durch SPPs beziehungsweise Excitonen entstehenden Dips im winkelaufgelösten Reflektivitätsspektrum nachgewiesen werden. Im letzten Teil wird die Lokalisierung von Licht in Anordnungen von Zinkoxid Nanonaadeln diskutiert. Die Nanonaadeln sind dabei zufällig auf einem Substrat verteilt, stehen aber alle vertikal. Wegen ihres waldähnlichen Aussehens werden solche Anordnungen auch Nanowälder genannt. Einfallendes Licht erfährt in diesem System Vielfachstreuung an den Nanonaadeln. Es stellt sich heraus, dass ein Teil des Lichtes lokalisiert wird - es wird im Nanowald gefangen.

Ultra-fast nano-optics may provide the next seminal breakthrough in information processing. It studies the behavior of light in nano-structured materials on femtosecond timescales. Such knowledge is the groundwork of future all-optical integrated circuits that can perform data-processing tasks at much higher speed than contemporary electronics. An important topic in nano-optics are nano-structured metal interfaces. At such interfaces, so called surface plasmon polaritons (SPPs) can be excited. They are collective excitations of electrons in the metal and the light field. SPPs confine light below the diffraction limit and travel along the metal interface. Consequently, they are suitable as information carriers in nano-optical devices. Another important ingredient are (organic or inorganic) semiconductors. Semiconductors allow for the light-light and light-matter interaction that is needed to control light at the nano-scale. They act as the active devices that switch or amplify the signal. The present theoretical work discusses calculations that were inspired by results from experimental co-workers. It describes the modeling process, discusses the choice of computational tools and the post-processing that is necessary to obtain meaningful results in computational electrodynamics. The results are then compared to the experiment. In its first part, the present work discusses subtle aspects of the excitation of SPPs on metal-gratings on which the symmetry of the grating is broken by the individual scatterers. The topic of the second part is a metal-grating that is covered with an organic dye. In this system, SPPs and excitons in the dye form collective modes called excimons or plexcitons. This effect can clearly be seen in an avoided crossing of the SPP and excitonic features in the far-field reflectivity. In the last part, the localization of light in arrays of zinc oxide nano-needles is discussed. The needles are randomly placed on a substrate but vertically aligned. Because of their look, they are often called nano-forests. Light in the nano-forest is multiply scattered at the needles and it turns out that a portion of the light becomes localized - it is trapped in the nano-forest.

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Leipold, David: Interaction of Light and Matter in Metal-Semiconductor Hybrid Nanostructures. 2015.

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