Feldemissionsrasterelektronenmikroskop

• Subject Area: Condensed Matter Physics
• Term: Funded in 2011
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 201135923

• Final Report Year: 2015

Final Report Abstract

Bei dem beschafften Gerät handelt es sich um ein Feldemissionselektronenmikroskop. Das Gerät wird vorwiegend – in Kombination mit einer hochpräzisen Probenbühne sowie einer Lithografieelektronik – zur Definition von Nanostrukturen eingesetzt. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Nanostrukturen für Optoelektronik und Photonik. In diesem Zusammenhang wurden bereits erfolgreich photonische Kristalle mit eingebauten Nanoresonatoren, Wellenleiter, Ein- und Auskoppelgitter für optische Signale sowie Mikround Nanolaserstrukturen hergestellt. Außer für die Definition von Nanostrukturen wird das Gerät auch für die Analytik eingesetzt. Dabei werden die mittels Lithografie und nass- bzw. trockenchemischen Verfahren hergestellten Strukturen und Bauelemente mittels Elektronenmikroskopie untersucht, um die genauen geometrischen Abmessungen sowie Prozesseigenschaften zu charakterisieren. Darüber hinaus werden aber auch andere Proben, z. B. mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellte Heterostrukturen, mit dem Gerät untersucht. Innerhalb der Arbeitsgruppe werden derzeit hauptsächlich Nanostrukturen auf Basis von Zinkoxid (ZnO) hergestellt und untersucht. Hierbei handelt es sich um einen Halbleiter mit großer Bandlücke, der sich für optoelektronische und photonische Anwendungen im sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich eignet. Darüber hinaus verfügt das Material über starke nichtlineare optische Eigenschaften aufgrund der fehlenden Inversionssymmetrie des Kristallgitters. Diese Eigenschaften sollen unter anderem durch den Einsatz von plasmonischen und photonischen Resonatoren verstärkt werden. Es ist bislang durch den Einsatz des Gerätes gelungen, erfolgreich optische Resonatoren auf Basis von ZnO herzustellen, unter anderem Mikrodisk-Resonatoren mit Gütefaktoren Q>4000, sowie photonische Kristall-Membranen mit eingebauten Defekten. Hier wurden Gütefaktoren in der Größenordnung von 1000 nachgewiesen. In den Mikrodiskresonatoren konnten bereits nichtlineare optische Prozesse nachgewiesen werden, darunter die Erzeugung der zweiten und dritten Harmonischen sowie von Dreiphotonenabsorption. Darüber hinaus konnten erfolgreich plasmonische Nanoantennen auf den photonischen Nanostrukturen platziert werden und optische Hybridmoden untersucht werden. Das Gerät wird darüber hinaus von weiteren Gruppen im Rahmen des Paderborner Centers for Optoelectronic and Photonics (CeOPP) mitgenutzt. Hierbei sind ebenfalls erfolgreich Nanostrukturen für photonische Anwendungen hergestellt worden, unter anderem für Nanoholografie, Transformationsoptik (AG Thomas Zentgraf) sowie für photonische Nanostrukturen auf Basis von kubischen Galliumnitrid (c-GaN) (AGs Cedrik Meier & Donat As).

Publications

• All-optical tunability of microdisk lasers via photoadressable polyelectrolyte functionalization. Optics Express 20, 6060 (2012)
  K. A. Piegdon, M. Lexow, G. Grundmeier, H.-S. Kitzerow, K. Pärschke, D. Mergel, D. Reuter, A. D. Wieck, and C. Meier
  
• Carrier localization in ZnO quantum wires. Appl. Phys. Lett. 100, 263114 (2012)
  P. Kröger, M. Ruth, N. Weber, and C. Meier
  
• Dual-Polarity Plasmonic MetaLens for Visible Light. Nature Comm. 3, 1198 (2012)
  X. Chen, L. Huang, H. Mühlenbernd, G. Li, B. Bai, Q. Tan, G. Jin, C.-W. Qui, S. Zhang, T. Zentgraf
  
• Enhanced photoluminescence of colloidal nanocrystals embedded in epitaxially grown semiconductor microstructures. Phys. Rev. B 85, 155405 (2012)
  J. Kampmeier, M. Rashad, U. Woggon, M. Ruth, C. Meier, D. Schikora, K. Lischka, and A. Pawlis
  
• Scaling coefficient for three-dimensional grain coalescence of ZnO on Si(111). Phys. Rev. B 86, 224108 (2012)
  M. Ruth and C. Meier
  
• Blue-green emitting microdisks using low-temperaturegrown ZnO on patterned silicon substrates. Optics Express 21, 25517 (2013)
  M. Ruth, T. Zentgraf, and C. Meier
  
• Three-Dimensional Optical Holography Using a Plasmonic Metasurface. Nature Comm. 4, 2808 (2013)
  L. Huang, X. Chen, H. Mühlenbernd, H. Zhang, S. Chen, B. Bai, Q. Tan, G. Jin, K.-W. Cheah, C.-W. Qiu, J. Li, T. Zentgraf, S. Zhang
  
• Continuous control of the nonlinearity phase for harmonic generations. Nature Materials 14, 607-612 (2015)
  G. Li, S. Chen, N. Pholchai, B. Reineke, P.W.H. Wong, E.Y.B. Pun, K.W. Cheah, T. Zentgraf, and S. Zhang
  
• Coupling Mediated Coherent Control of Localized Surface Plasmon Polaritons. Nano Letters 15 (6), 4189–4193 (2015)
  F. Zeuner, M. Muldarisnur, A. Hildebrandt, J. Förstner, and T. Zentgraf
  
• Metasurface holograms reaching 80% efficiency. Nature Nanotechnology 10, 308-312 (2015)
  G. Zheng, H. Mühlenbernd, M. Kenney, G. Li, T. Zentgraf, and S. Zhang