Laserinduzierte Oberflächenstrukturierung mit optischen Nahfeldern von Nanopartikeln

• Applicant: Professor Dr. Paul Leiderer
• Subject Area: Production Automation and Assembly Technology
• Term: from 2009 to 2011
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 79910483

• Final Report Year: 2013

Final Report Abstract

Im Rahmen dieses Projektes wurde die Nahfeldverteilung um maßgeschneiderte Nanostrukturen genutzt, um Strukturen auf ein Substrat zu schreiben, die weit kleiner als 100 nm Ausdehnung besitzen. In Silizium ablatierte Löcher zeigen Dimensionen von unter 20 nm, während durch Photopolymerisation abgeschiedene Partikel im Bereich von 50 nm liegen. Durch die verwendete Nanosphärenlithographie können großflächige Areale mit Nanostrukturen versehen werden. Während durch Femtosekundenbestrahlung Strukturen in das den metallischen Antennen unterliegende Substrat ablatiert werden, kann man durch längere Pulse dosiert den Schmelzvorgang in den Antennen erzeugen, und zwar korreliert mit der Nahfeldverteilung. Damit werden Spitzen starker Nahfeldüberhöhung abgerundet, womit die Feldverteilung selbst kontrolliert und modifiziert werden kann. Erstmals konnte durch eine detaillierte Modellierung der Felder mit numerischen Methoden eine quantitative Übereinstimmung mit den Ablationsmustern erzeugt werden. Dieses Instrument erlaubt somit eine Vorhersage und Optimierung der Feldverteilung. Insbesondere konnte geklärt werden, dass Feldverteilungen empfindlich auf die Multipolstrukturen der plasmonischen Anregung sind und somit Terminierungseffekte, wie Zwischenlagen oder Oxidschichten eine bedeutende Rolle spielen. Die quantitative Bestimmung von Feldverteilungen und Ablationschwellen hat wesentlich zum Verständnis beigetragen. Während die Nahfeldablation an Nanosphärenlithografiestrukturen bereits vor einiger Zeit von uns beschrieben wurde, hat sie sich inzwischen als praktikabler Prozess gezeigt, was nicht zuletzt daran zu sehen ist, dass in der ersten Antragsperiode des SPP auch zwei weitere Gruppen den Prozess nutzen.

Publications

• „Femtosecond laser near field ablation", Laser & Photonics Reviews 3, 435 (2009)
  A. Plech, J. Boneberg, P. Leiderer
  
• Gold nanoparticle membranes as large-area surface monolayers", J. Coll. Interf. Sci. 346, 1 (2010)
  F. Ciesa, A. Plech
  
• "Exploiting optical near fields for phase change memories", Appl Phys. Lett 98 013103 (2011)
  P. Leiprecht, P. Kühler, M. Longo, P. Leiderer, C. N. Afonso, and J. Siegel
  
• "Femtosecond and picosecond near-field ablation of gold nanotriangles: nanostructuring and nanometting", Appl. Phys. A 104, 793 (2011)
  A. Kolloch, T. Geldhauser, K. Ueno, H. Misawa, J. Boneberg, A. Plech, P. Leiderer
  
• "Visualization of optical near-field enhancements of gold triangles by nonlinear photopolymerization", Plasmonics 6, 207 (2011)
  T. Geldhauser, S. Ikegaya, A. Kolloch, N. Murazawa, K. Ueno, J. Boneberg, P. Leiderer, E. Scheer, H. Misawa
  
• "Quantitative imaging oft he optical near field", Optics Express 20, 22064 (2012)
  P. Kühler, F.J. Garcia de Abajo, P. Leiprecht, A. Kolloch, J. Solis, P. Leiderer, J. Siegel
  
• "Quantitative measurement of the near-field enhancement of nanostructures by two-photon polymerization", Langmuir 28, 9041 (2012)
  T. Geldhauser, A. Kolloch, N. Murazawa, K. Ueno, J. Boneberg, P. Leiderer, E. Scheer, H. Misawa
  
• "Structural study of near-field ablation close to plasmon-resonant nanotriangles", J. Laser Applications 24. 042015 (2012)
  A. Kolloch, P. Leiderer, S. Ibrahimkutty, D. Issenmann, A. Plech