Plasmonic antennas : material analysis and their interaction with quantum dots

Abstract

Plasmonische, optische oder auch Nanoantennen genannte Strukturen senden und empfangen elektromagnetische Strahlung aus dem freien Raum, genau sowie Antennen im Hochfrequenzbereich. Diese Energie wird von einer lokalen Quelle angeboten, oder einem lokalen Empfänger zugefügt. Jüngste Entwicklungen in der Nanotechnologie haben es ermöglicht, Strukturengrößen einsetzbar für den optischen Bereich herzustellen. Es ist jedoch zu beachten, dass gewöhnliche Metalle zu optischen Frequenzen von gänzlich anderen physikalischen Effekten dominiert werden, hauptsächlich zurückzuführen auf eine endliche Eindringtiefe elektromagnetischer Felder. Das heißt, elektrostatische Vereinfachungen müssen fallengelassen werden und plasmonische Effekte treten auf. Optische Antennen bieten nun durch die Einführung der Nahfeldoptik eine Möglichkeit das Beugungslimit konventioneller optischer Mikroskopie zu umgehen. Des Weiteren wird durch eine starke Felderhöhung im Subwellenlängenbereich innerhalb eines nanometergroßen Volumens völlig neue Möglichkeiten für Applikationen auf dem Gebiet der Licht-Materie-Wechselwirkung geboten. In dieser Arbeit wird eine detaillierte Materialanalyse plasmonischer Antennen durchgeführt. Nicht nur eine Änderung des Antennenmaterials selbst, sondern auch bei Veränderung von dessen Umgebung werden plasmonische Eigenschaften wie die Resonanzwellenlänge oder der Gütefaktor verändert. Eine eigens entwickelte spektroskopische Messmethode, basierend auf der Rotation der Polarisation des Anregungslasers, wird benutzt um linear polarisierte plasmonische Strukturen zu charakterisieren. Des Weiteren sollte - laut Purcells Theorie - ein einzelner Quantenemitter seine Emissionseigenschaften in der Umgebung eines Resonators, wie zum Beispiel einer plasmonischen Antenne, ändern. Deshalb wurden Gold-Dipolantennen gekoppelt an kolloide Quantenpunkte im Umfang dieser Arbeit untersucht. Eine Möglichkeit, um gezielt wenige oder idealerweise einen einzelnen Quantenpunkt innerhalb des nanometergroßen Spaltes des Dipols festzuhaften, ist die Fixierung mit Hilfe eines fokusierten Elektronenstrahls. Anhand der Restgasabscheidung aus der Prozessierungs-Vakuumkammer kann durch Kohlenstoff ein definierter Bereich an Quantenpunkten angebracht werden. Gebräuchliche Photolumineszenzspektroskopie zeigt einen eindeutigen Effekt von dem gekoppelten System im Vergleich zu Referenzmessungen von Quantenpunkten ohne optische Antenne.

Plasmonic, optical, or nanoantennas are - like their radio frequency counterpart - a means to efficiently transmit and receive free-propagating electromagnetic radiation, subsequently converting the energy from or to a localized source or sink, respectively. Recent developments in nanotechnology has made it possible to produce designated structures for the visible realm. However, common metals do show a completely different physical behavior when considering such a frequency range. This means that simplifying electrostatic assumptions like an infinite small skin depth are no longer valid and that electromagnetic waves will penetrate the nanometre-sized structures completely leading to plasmonic effects. Optical antennas are commonly used to overcome the inherent diffraction limit of conventional microscopy, augmenting the area of near field optics. Furthermore, the concept of localizing strongly enhanced electromagnetic fields into subwavelength volumes opens the path for a myriad of new light-matter interaction applications. During the course of this thesis, a material analysis on nanoantennas has been performed. Shown is the change in their plasmonic properties like resonance wavelength or quality factor, if different antenna materials as well as different environments are provided. A spectroscopic method based on rotating the polarization of the excitation beam offers a convenient way to characterize linearly polarized plasmonic structures of almost arbitrary material and shape. Furthermore, single quantum emitters should change their emission properties corresponding to Purcell's theory in the vicinity of a resonator like for example a nanoantenna. Therefore, the influence of gold dipole nanoantennas on colloidal quantum dots is investigated within the scope of this thesis. As an approach to adhere ideally a single dot inside the nanometre-sized gap volume of a dipole, the aid of an electron-beam was used. Due to residual carbon gas in the vacuum processing chamber, a fixation of quantum dots at defined position is possible. Common photoluminescence spectroscopy than reveals the effects of an optical antenna in the vicinity of the quantum emitter which clearly deviates from reference measurements without a plasmonic structure.