Rolled-up metamaterials
Final Report Abstract
In diesem Vorhaben wurden maßgeschneiderte dreidimensionale optische Metamaterialen mit integrierten Quantenemittern durch verspannungsinduziertes Aufrollen von Metall-Halbleiter-Schichten hergestellt. Es wurden drei Konzepte verfolgt, nämlich das Aufrollen von planaren Silberfilmen, von in Gitter mit variierendem Füllfaktor strukturierten Silberfilmen und von Feldern von Silberkästchen mit definiertem Abstand. Im ersten Konzept konnte ein Metamaterial mit hyperbolischer Dispersion hergestellt werden. Nachgewiesen wurde dies über die Messung einer reduzierten Fluoreszenzlebensdauer des in die Metallstruktur eingebetteten Quantenfilms sowie durch finite-difference time-domain Simulationen. Dem zweiten Konzept folgend, konnten Silbergitter konstanter Periode aber mit entlang des Gitters variierender Gitterbreite erfolgreich auf einer Verspannten Halbleiterschicht präpariert und auch aufgerollt werden. In orts-, zeit, und energieaufgelösten Photolumineszenzexperimenten bei tiefen Temperaturen wurde die Kopplung des in die Halbleiterschicht eingebetteten Quantenfilms an das Gitter untersucht. Die Kopplung wurde über die Gitterbreitenabhängigkeit der Photolumineszenzlebensdauer, -wellenlänge und auch -intensität nachgewiesen. Die Beobachtungen müssen aber durch weitere theoretische Modellierungen untermauert werden. Im dritten Konzept bietet das Aufrollen von Silberkästchen die elegante Möglichkeit, die Metallnanostrukturen zur Nanoantennen mit definiertem Abstand zu stapeln, wobei ein Quantenfilmemitter automatisch im Zentrum der Nanoantennen eingebettet wird. Die resonante Kopplung des Quantenfilms an die Nanoantennen bestimmter Geometrie wurde über eine signifikante Verschiebung der Photolumineszenzwellenlänge nachgewiesen. Die Resonanzen sind im Einklang mit aus finite-difference time-domain Simulationen berechneten Extinktionsspektren der Nanoantennenstrukturen.
Publications
- „Controlling the Spontaneous Emission Rate of Quantum Wells in Rolled-Up Hyperbolic Metamaterials”, Physical Review Letters 117, 085503 (2016)
K. Marvin Schulz, Hoan Vu, Stephan Schwaiger, Andreas Rottler, Tobias Korn, David Sonnenberg, Tobias Kipp, and Stefan Mendach
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.085503)
