Variation und Kartierung von hybriden Polaritonen auf der Nanoskala

• Antragstellerinnen: Dr. Katja Höflich; Dr. Hannah Nerl, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449639588

Dieses Projekt befasst sich mit den optischen Eigenschaften, welcheaus Wechselwirkungen zwischen den Schichten zweidimensionaler(van-der-Waals) Materialien entstehen. Indem wir ultrapräziseStrukturierung mit nanoskaliger Analyse verbinden, ist geplant hybridePolaritonmoden für eine enorme Konzentration von Licht beigleichzeitig geringen Verlusten zu realisieren, mit möglichenzukünftigen Anwendungen z.B. in der Licht-basiertenInformationstechnologie.In zweidimensionalen (2D) Materialien können Polaritonen dieWechselwirkung zwischen Licht und Materie erheblich verstärken. EinPolariton ist ein Quasiteilchen, das aus der Kopplung einerelektromagnetischen Welle, also Licht, mit einer Dipol-Anregung inMaterie gebildet wird. Typische Beispiele für Materie-Anregungen sindkollektive Schwingungen von freien Elektronen (Plasmon-Polariton),Gitterschwingungen (Phonon-Polariton) oder das Anheben vonElektronen vom Valenzband in das Leitungsband (Exziton-Polariton).Polaritonen führen zu Änderungen im Ladungstransport, derchemischen Reaktivität und der lokalen Potentiale, aber sie könnenauch zu einer extremen Lokalisierung von Licht und einer Erhöhungder elektromagnetischen Zustandsdichte führen. Stapelt manverschiedene 2D-Materialien, können Polaritonen zu hybriden Modenkoppeln. Dadurch ergeben sich enorme Variationsmöglichkeiten inder Art der Anregung, ihrer Kopplungsstärke, ihrer Lokalisierung undihres Ausbreitungsverhaltens. 2D Heterostrukturen können daher fürdas Design außergewöhnlicher physikalischer Eigenschaften genutztwerden. In dem Projekt untersuchen wir die gezielte Variation hybriderPlasmon-Phonon-Moden in 2D Heterostrukturen aus einkristallinemSilber oder Graphen mit hexagonalem Bornitrid (hBN). HeliumbasierteNanostrukturierung ermöglicht es Geometrien mit einerGenauigkeit von unter 5 nm herzustellen, um sowohl die einzelnenAnregungen als auch die Kopplungsstärke zwischen ihnen zuvariieren. Mit niedrig-VerlustRastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM)Elektronenverlustspektroskopie (EELS) können die entsprechendenDispersionsrelationen vollständig vermessen werden. Die Kartierunghybrider Moden erfolgt mit einer gleichzeitigen räumlichen Auflösungunter 1 nm, einer Energieauflösung unter 6 mev und einerImpulsauflösung unter 0.2 nm-1. Unter Nutzung des Elektronenstrahlszur gleichzeitigen Anregung und Untersuchung einer Mode, kann dieaußergewöhnliche Raum- und Zeitauflösung mit einer Zeitauflösungauf der fs-Skala kombiniert werden. Durch die enorme räumlicheAuflösung beider Techniken, Strukturierung und Analyse, kann eingroßer Parameterraum zur Untersuchung auf einer einzigen Probenrealisiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Christoph Tobias Koch, Ph.D.