Elektronenstrahllithographie System
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Arbeitsgruppe Nanophotonik ist am Physikalischen Institut der Rheinischen Froedrich-Wilhelms-Universität Bonn angesiedelt. Die Forschung der Arbeitsgruppe ist der optischen Charakterisierung nanostrukturierter Materialien gewidmet. Den Schwerpunkt bilden hierbei Experimente an metallischen Nanostrukturen und Hybridstrukturen. Die gezielte Herstellung hochqualitativer Nanostrukturen mittels Elektronenstrahllithographie ist hierbei die Voraussetzung für fast alle Aktivitäten der Arbeitsgruppe. Im Folgenden werden beispielhaft drei Forschungsprojekte beschrieben, in denen das beschaffte Elektronenstrahllithographie-System genutzt wurde. 1.) Die optischen Eigenschaften metallischer Nanostrukturen werden maßgeblich durch resonante kollektive Anregungen der Leitungsbandelektronen, sogenannte Plasmonen Resonanzen, bestimmt. Die Anregungsenergie und die räumliche Nahfeldverteilung der Plasmonen Resonanzen werden dabei durch die Geometrie der metallischen Nanostruktur und deren dielektrischen Umgebung kontrolliert. Die Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS: Electron energy loss spectroscopy) hat sich in den letzten Jahren als experimentelle Methode zur Charakterisierung der räumlichen Nahfeldverteilung metallischer Nanostrukturen etabliert. Für EELS-Experimente werden von uns metallische Nanostrukturen per Elektronenstrahllithographie auf 30 nm dünnen SiN3-Membranen hergestellt. Die gezielte Variation einzelner Geometrieparameter bei der Probenfertigung ermöglicht es, den Zusammenhang zwischen Probengeometrie und Nahfeldverteilung systematisch zu untersuchen. 2.) Metallische Nanostrukturen weisen nicht nur interessante lineare Eigenschaften auf, sondern können auch für die nichtlineare Optik, etwa für die Frequenzverdopplung (SHG: Second Harmonic Generation) genutzt werden. Hierbei werden meistens Feldverstärkungseffekte bei der Anregung von Plasmonen Resonanzen mit der Pumpwelle genutzt. Vor kurzem konnten wir nachweisen, dass eine Verstärkung des SHG-Signals auch erzielt werden kann, wenn die metallischen Nanostrukturen nur eine Plasmonen Resonanz bei der zweiten Harmonischen aufweisen. Voraussetzung für diese Experimente war eine genaue Kontrolle der Probengeometrie der metallischen Nanostrukturen während der Herstellung mittels Elektronenstrahllithographie. 3.) In der Arbeitsgruppe Nanophotonik wurde in den letzten Jahren ein Graustufen- Elektronenstrahllithographie-Prozess entwickelt, der von uns für die Herstellung von gekoppelten plasmonischen Wellenleitern genutzt wird. Die Ausbreitung von Oberflächenplasmonen in diesen Wellenleiterstrukturen gehorcht einer Bewegungsgleichung, die mathematisch analog zum Tight-Binding-Modell der Festkörperphysik ist. Durch geeignete Wahl der Form und Abstände der Wellenleiter können somit Festkörperphänomenen, wie etwa Bloch-Oszillationen oder Anderson-Lokalisierung, mit einem optischen System simuliert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- From Isolated Metaatoms to Photonic Metamaterials: Evolution of the Plasmonic Nearfield. Nano Lett. 13, 703 (2013)
F. von Cube, S. Irsen, R. Diehl,J. Niegemann, K. Busch, S. Linden
- Manipulation of Airy surface plasmon beams. Opt. Lett. 38, 1443 (2013)
F. Bleckmann, A. Minovich, J. Frohnhaus, D. N. Neshev, S. Linden
- Angular-resolved electron energy loss spectroscopy on a s split-ring resonator Phys. Rev. B 89, 115434 (2014)
F. von Cube, J. Niegemann, S. Irsen, D.C. Bell, S. Linden
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.89.115434) - Bloch oscillations in plasmonic waveguide arrays Nat. Commun. 5:3843 (2014)
A. Block, C. Etrich, T. Limboeck, F. Bleckmann, E. Soergel, C. Rockstuhl, S. Linden
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms4843) - Photochromic Switching of Fano Resonances in Metallic Photonic Crystal Slabs Adv. Optical Mater. 2014
F. Bleckmann, E. Maibach, S. Cordes, T. Umbach, K. Meerholz, S. Linden
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adom.201400187) - Second harmonic generation spectroscopy on second harmonic resonant plasmonic metamaterials. Optica 2, 698-701 (2015)
H. Linnenbank, S. Linden
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/OPTICA.2.000698) - Second harmonic generation spectroscopy on hybrid plasmonic/dielectric nanoantennas. Light: Science & Applications, volume 5, page e16013 (2016)
H. Linnenbank, Y. Grynko, J. Förstner, and S. Linden
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/lsa.2016.13)
