In dieser Arbeit wird der Aufbau eines Raumtemperatur-Nahfeldmikroskopes und die Implementation eines neuen nichtoptischen Abstandsregelmechanismus beschrieben und die Ergebnisse verschiedener Abbildungsarten dargestellt. Eine theoretische Modellierung des Scherkraft-Detektionsmechanismus erlaubt ein gezieltes Design fuer eine Nachnutzung. Der Aufbau eines Tieftemperatur-Konfokalmikroskopes, das zum Tieftemperatur-Nahfeldmikroskop erweiterbar ist, wird dargelegt. Die Abhaengigkeit des Photobleichens einzelner Terrylen-Molekuele von der Temperatur wird untersucht. Beobachtungen der spektralen Diffusion von Terrylen-Molekuelen werden dargelegt. Den Hauptteil dieser Arbeit bilden Untersuchungen am N-V Farbzentrum im Diamant. Einzelne Defektzentren wurden bei tiefen Temperaturen abgebildet und mittels Fluoreszenz-Anregungsspektroskopie untersucht, die Fluoreszenz-Emissionsdynamik wurde mit Autokorrelationsmessungen studiert. Das Temperaturverhalten der Fluoreszenzintensitaet, die Autokorrelation der Fluoreszenzintensitaet und die verzoegerte Fluoreszenz beweisen die Existenz eines metastabilen Zustandes. Durch Einstrahlen einer zweiten Wellenlaenge verkuerzt sich die Verweilzeit im metastabilen Zustand und die mittlere Fluoreszenzrate wird erhoeht (Deshelving). Die Tieftemperaturspektren widersprechen in mehreren Punkten den aus der Literatur bekannten Werten, die an hoeherkonzentrierten Proben gemessen wurden. Diese Unterschiede werden diskutiert und sind mit einer in hoeherkonzentrierten Proben verstaerkten Verspannung zu erklaeren. Ein Vergleich mit Diamant-Nanokristalliten, in denen eine erhoehte Verspannung auftritt, bestaetigt den Zusammenhang zwischen schmalen Uebergaengen und wirkender Verspannung durch das Auftreten von schmalen Emissionslinien.

Plasmons, i.e. collective oscillations of conduction electrons, have a strong influence on the optical properties of metal micro- and nanostructures and are of great interest for novel photonic devices. Here, plasmons on metal-dielectric interfaces are investigated using near-field optical microscopy and differential angular reflectance spectroscopy. Emphasis is placed on the study of plasmon interaction with individual nanostructures and on the nonlinear process of surface plasmon amplification. Specifically, plasmon transmission across single grooves in thin silver films is investigated with the help of a near-field optical microscope. It is found that plasmon transmittance as a function of groove width shows a non-monotonic behavior, exhibiting certain favorable groove widths with strongly decreased transmittance values. Additionally, evidence of groove-mediated plasmon mode coupling is observed. Spatial beating due to different plasmon wave vectors produces distinct interference features in near-field optical images. A theoretical approach explains these observations and gives estimated coupling effciencies deduced from visibility considerations. Furthermore, stimulated emission of surface plasmons induced by optical pumping using an organic dye solution is demonstrated for the first time. For this a novel twin-attenuated-total-reflection scheme is introduced. The experiment is described by a theoretical model which exhibits very good agreement. Together they provide clear evidence of the claimed process.

This work presents the first demonstration of a semiconductor based plasmonic near-field superlens, utilizing highly doped GaAs to generate infrared optical images with a spatial resolution beyond the difraction limit. Being easily transferable to other semiconductor materials, the concept described in this thesis can be exploited to realize spectrally adjustable superlenses in a wide spectral range. The idea of superlensing has been introduced theoretically in 2000, followed by numerous publications including experimental studies. The effect initiated great interest in optics, since in contrast to difraction limited conventional optical microscopy it enables subwavelength resolved imaging by reconstructing the evanescent waves emerging from an object. With techniques like scanning near-field optical microscopy (SNOM) and stimulated emission depletion (STED) being already successfully established to overcome the conventional restrictions, the concept of superlensing provides a novel, different route towards high resolution. Superlensing is a resonant phenomenon, relying either on the excitation of surface plasmons in metallic systems or on phonon resonances in dielectric structures. In this respect a superlens based on doped semiconductor benefits from the potential to be controlled in its operational wavelength by shifting the plasma frequency through adjustment of the free carrier concentration. For a proof of principle demonstration, we investigate a superlens consisting of a highly n-doped GaAs layer (n = 4 x 10^18 cm-3) sandwiched between two intrinsic layers. Recording near-field images of subwavelength sized gold stripes through the trilayer structure by means of SNOM in combination with a free-electron laser, we observe both enhanced signal and improved spatial resolution at radiation wavelengths close to l = 22 µm, which is in excellent agreement with simulations based on the Drude-Lorentz model of free electrons. Here, comparative investigations of a purely intrinsic reference sample confirm that the effect is mediated by the charge carriers within the doped layer. Furthermore, slightly differently doped samples provide indications for the expected spectral shift of the resonance. According to our calculations, the wavelength range to be exploited by n-GaAs based superlenses reaches far into the terahertz region, whereas other semiconductor materials are required to explore the near infrared.

Modern optical microscopy is gaining deeper and deeper insight into the nanoworld. Conventional microscopy faces restrictions by both the diffraction limit and its sensitivity concerning the low intensities of nanoscale light sources. To be able to circumvent these drawbacks, scanning near-field optical microscopy (SNOM) has been implemented at the Institute of Applied Photophysics at the TU Dresden by applying optically active scanning probes in order to constitute interfaces between the macroscopic and the nanoscopic world. New probes functionalised with metal nanoparticles can resolve structures which are unreachable by traditional methods (~ 50 nm). Our work has led to inexpensive and fast fabrication of such probes allowing an unprecedented views of the nanoworld. / Die moderne optische Mikroskopie erlaubt es, der Nanowelt immer neue spannende Erkenntnisse zu entlocken. Jedoch ist die herkömmliche Lichtmikroskopie in ihrer Auflösung begrenzt und im Hinblick auf die geringe Intensität nanoskopischer Lichtquellen häufig nicht empfindlich genug. Um diese Probleme zu umgehen, wird am Institut für Angewandte Photophysik (IAPP) der TU Dresden die sogenannte optische Nahfeldmikroskopie eingesetzt. Hierbei dienen optisch aktive Sonden als Schnittstelle zwischen makroskopischer und nanoskopischer Welt. Diese am IAPP entwickelten neuartigen Sonden sind mit metallischen Nanopartikeln besetzt. Das Nahfeldmikroskop erlangt mit derartigen Sonden ein Auflösungsvermögen, welches weit jenseits der Möglichkeiten konventioneller Mikroskope liegt. Die Sonden können einfach und schnell hergestellt werden und erlauben der Nahfeldmikroskopie bisher unerreichte Einblicke in die Nanowelt.

Chemnitz, Techn. Univ., Diss., 1999.

Modern optical microscopy is gaining deeper and deeper insight into the nanoworld. Conventional microscopy faces restrictions by both the diffraction limit and its sensitivity concerning the low intensities of nanoscale light sources. To be able to circumvent these drawbacks, scanning near-field optical microscopy (SNOM) has been implemented at the Institute of Applied Photophysics at the TU Dresden by applying optically active scanning probes in order to constitute interfaces between the macroscopic and the nanoscopic world. New probes functionalised with metal nanoparticles can resolve structures which are unreachable by traditional methods (~ 50 nm). Our work has led to inexpensive and fast fabrication of such probes allowing an unprecedented views of the nanoworld. / Die moderne optische Mikroskopie erlaubt es, der Nanowelt immer neue spannende Erkenntnisse zu entlocken. Jedoch ist die herkömmliche Lichtmikroskopie in ihrer Auflösung begrenzt und im Hinblick auf die geringe Intensität nanoskopischer Lichtquellen häufig nicht empfindlich genug. Um diese Probleme zu umgehen, wird am Institut für Angewandte Photophysik (IAPP) der TU Dresden die sogenannte optische Nahfeldmikroskopie eingesetzt. Hierbei dienen optisch aktive Sonden als Schnittstelle zwischen makroskopischer und nanoskopischer Welt. Diese am IAPP entwickelten neuartigen Sonden sind mit metallischen Nanopartikeln besetzt. Das Nahfeldmikroskop erlangt mit derartigen Sonden ein Auflösungsvermögen, welches weit jenseits der Möglichkeiten konventioneller Mikroskope liegt. Die Sonden können einfach und schnell hergestellt werden und erlauben der Nahfeldmikroskopie bisher unerreichte Einblicke in die Nanowelt.

Surface polaritons, i.e., collective oscillations of the surface charges, strongly influence the optical response at the micro- and nanoscale and have to be accounted for in modern nanotechnology. Within this thesis, certain basic phenomena involving surface polaritons are investigated by means of the semianalytical multiple-multipole (MMP) method. The results are compared to experiments. In the first part, the surface plasmon resonance (SPR) of metal nanoparticles is analyzed. This resonant collective oscillation of the free electrons in a metallic nanoparticle leads to an enhancement and confinement of the local electric field at optical frequencies. The local electric field can be further increased by tailoring the shape of the particle or by using near-field-interacting dimers or trimers of gold nanospheres. The hot spots found under such conditions increase the sensitivity of surface-enhanced Raman scattering by several orders of magnitude and simultaneously reduce the probed volume, thereby providing single-molecule sensitivity. The sub-wavelength-confined strong electromagnetic field associated with a SPR provides the basis for scattering-type near-field optical microscopy or tip-enhanced Raman spectroscopy, where the metal particle serves as a probe that is scanned laterally in the vicinity of a substrate. The presence of the latter causes a characteristic shift of the SPR towards lower frequencies. This effect originates in the near-field interaction of the surface charges on the objects. Furthermore, the excitation of higher-order modes becomes possible in case of an excitation by a strongly inhomogeneous wave, such as an evanescent wave. These modes may significantly contribute to the near field but have only very little influence on the far-field signature. Instead of using resonant probes, one may place a nonresonant probe in the vicinity of a substrate having a high density of electromagnetic surface states. This also produces a resonance of the light scattering by the system. Especially polar crystals, such as the investigated silicon carbide, feature such a high density of surface phonon polariton states in the mid-infrared spectral region, which can be excited due to the near-field interaction with a polarized particle. Thereby, a resonance is created leading to a strong increase of the electric field at the interface. In the second part of the thesis, special emphasis is put on surface plasmon polaritons (SPPs). Such propagating surface waves can be excited directly by plane waves only at patterned interfaces. This process is studied for the case of a groove. The groove breaks the translational invariance, so that the SPPs can be launched locally at the edges of the groove. Additionally, the mode(s) inside the groove are excited. These modes can basically be understood as metal-insulator-metal cavity modes. Their dispersion strongly depends on the groove width. The cavity behavior caused by the finite depth provides another degree of freedom for optimizing the SPP excitation by plane waves. Thin metallic films deposited on glass offer two different SPP waveguide modes, each of which can be addressed preferentially by a proper choice of the width of the groove. The reflection, transmission, scattering, and the conversion of the modes at discontinuities such as edges, steps, barriers, and grooves can be controlled by appropriately designing the geometry at the nanoscale. Furthermore, the excitation of SPPs at single and multiple slits in thin-film metal waveguides on glass and their propagation and scattering is shown by scanning near-field optical experiments. Such waveguide structures offer a means for transporting light in a confined way. Especially triangularly shaped waveguides can be used to guide light in sub-wavelength spaces. / Die Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit subwellenlängenkleinen Teilchen bzw. Oberflächenstrukturen ermöglicht nicht nur eine Miniaturisierung optischer Geräte, sondern erlaubt sehr interessante Anwendungen, beispielsweise in der Sensorik und Nahfeldoptik. In der vorliegenden Arbeit werden die zu Grunde liegenden Effekte im Rahmen der klassischen Elektrodynamik mit Hilfe der semianalytischen Methode der multiplen Multipole (MMP) analysiert, und die Ergebnisse werden mit Experimenten verglichen. Im ersten Teil werden Oberflächenplasmonenresonanzen (engl. surface plasmon resonance - SPR) einzelner und wechselwirkender Metallteilchen untersucht. Die dabei auftretende resonante kollektive Schwingung der freien Elektronen des Partikels bewirkt eine deutliche Erhöhung und Lokalisierung des elektromagnetischen Feldes in seiner Umgebung. Die spektrale Position und die Stärke der SPR eines Nanoteilchens, die von dessen geometrischer Form, Permittivität und Umgebung abhängen, können nur im Grenzfall sehr kleiner Teilchen elektrostatisch beschrieben werden, wohingegen der verwendete semianalytische MMP-Ansatz weitaus flexibler ist und insbesondere auch auf größere Partikel, Teilchen mit komplizierterer Form bzw. Ensembles von Partikeln anwendbar ist. Die betrachteten einzelnen kleinen (< Wellenlänge) Goldkügelchen und Silberellipsoide besitzen eine stark ausgeprägte SPR im sichtbaren optischen Bereich. Diese ist auf eine dipolartige Polarisierung des Teilchens zurückzuführen. Höhere Moden der Polarisation können entweder als Folge von Retardierungseffekten an größeren (mit der Wellenlänge vergleichbaren) Teilchen oder bei der Verwendung inhomogener (z.B. evaneszenter) Wellen angeregt werden. Partikel, die sich in der Nähe eines Substrates befinden, unterliegen der Nahfeldwechselwirkung zwischen den (lichtinduzierten) Oberflächenladungen auf der Oberfläche des Teilchens und des Substrats. Dies führt zu einer Verschiebung der SPR zu niedrigeren Frequenzen und einer Erhöhung des lokalen elektrischen Feldes. Letzteres bildet die Grundlage z.B. der spitzenverstärkten Raman-Spektroskopie und der optischen Nahfeldmikroskopie mit Streulichtdetektion. Dasselbe Prinzip bewirkt ein stark überhöhtes elektrisches Feld zwischen miteinander wechselwirkenden Nanopartikeln, welches z.B. die Sensitivität der oberflächenverstärkten Raman-Mikroskopie um mehrere Größenordnungen steigern kann. Im Gegensatz zur SPR einzelner Nanopartikel kann die Resonanz der Lichtstreuung im Fall eines Partikels in der Nähe eines Substrats aus der durch die Nahfeldwechselwirkung induzierten Anregung elektromagnetischer Oberflächenzustände entstehen. Diese wirken ihrerseits auf das Nanopartikel zurück, wobei eine resonante Lichtstreuung beobachtbar ist. Dieser, am Beispiel einer metallischen Nahfeldsonde über einem Siliziumcarbid-Substrat analysierte, Effekt ermöglicht bei einer ganzen Klasse von polaren Kristallen interessante Anwendungen in der Mikroskopie und Sensorik basierend auf der hohen Dichte von Oberflächenphononpolaritonen dieser Kristalle im mittleren infraroten Spektralbereich und deren nahfeldinduzierten Anregung. Im zweiten Teil der Arbeit werden kollektive Anregungen von Elektronen an Metalloberflächen untersucht. Die dabei auftretenden plasmonischen Oberflächenwellen (engl. surface plasmon polaritons - SPPs) weisen einen exponentiellen Abfall der Intensität senkrecht zur Grenzfläche auf. Diese starke Lokalisierung der Energie an der Oberfläche bildet die Grundlage vieler Anwendungen, z.B. im Bereich der hochempfindlichen Detektion (bio)chemischer Verbindungen oder für eine zweidimensionale Optik (engl. plasmonics). Das Aufheben der Translationsinvarianz längs der Oberfläche ermöglicht die direkte Anregung von SPPs durch ebene Wellen. Die Abhängigkeit dieser Kopplung von der Geometrie wird am Beispiel eines Nanograbens untersucht. Dabei werden neben den SPPs ebenfalls eine oder mehrere Moden im Graben angeregt. Folglich ermöglicht die geeignete Wahl der Grabengeometrie die Optimierung der Umwandlung von ebenen Wellen in SPPs. Im - in der Praxis weit verbreiteten - Fall asymmetrisch eingebetteter metallischer Dünnschichtwellenleiter existieren zwei Moden. In Abhängigkeit von der Grabenbreite kann die eine oder die andere Mode bevorzugt angeregt werden. Die Analyse der Wechselwirkung von SPPs mit Oberflächenstrukturen, z.B. Kanten, Stufen, Barrieren und Gräben, zeigt die Möglichkeit der Steuerung der Reflexions-, Transmissions- und Abstrahleigenschaften durch die gezielte Wahl der Geometrie der "Oberflächendefekte" auf der Nanoskala und deckt die zu Grunde liegenden Mechanismen und die daraus resultierenden Anforderungen bei der Herstellung neuer plasmonischer Komponenten auf. Exemplarisch wird das Prinzip der SPP-Anregung an einzelnen und mehreren Gräben in dünnen metallischen Filmen sowie der subwellenlängen Feldlokalisierung an sich verjüngenden metallischen Dünnschichtwellenleitern unter Verwendung der optischen Nahfeldmikroskopie experimentell gezeigt.

Imaging with THz radiation at nanoscale resolution is highly desirable for specific material investigations that cannot be obtained in other parts of the electromagnetic spectrum. Nevertheless, classical free-space focusing of THz waves is limited to a >100 μm spatial resolution, due to the diffraction limit. However, the scattering- type scanning near-field optical microscopy (s-SNOM) promises to break this diffraction barrier. In this work, the realization of s-SNOM and spectroscopy for the THz spectral region from 30–300 μm (1–10 THz) is presented. This has been accomplished by using two inherently different radiation sources at distinct experimental setups: A femtosecond laser driven photoconductive antenna, emitting pulsed broadband THz radiation from 0.2–2 THz and a free-electron laser (FEL) as narrow-band high-intensity source, tunable from 1.3–10 THz. With the photoconductive antenna system, it was demonstrated for the first time that near-field spectroscopy using broadband THz-pulses, is achievable. Hereby, Terahertz time-domain spectroscopy with a mechanical delay stage (THz-TDS) was realized to obtain spectroscopic s-SNOM information, with an additional asynchronous optical sampling (ASOPS) option for rapid far-field measurements. The near-field spectral capabilities of the microscope are demonstrated with measurements on gold and on variably doped silicon samples. Here it was shown that the spectral response follows the theoretical prediction according to the Drude and the dipole model. While the broadband THz-TDS based s-SNOM in principle allows for the parallel recording of the full spectral response, the weak average power of the THz source ultimately limits the technique to optically investigate selected sample locations only. Therefore, for true THz near-field imaging, a FEL as a high-intensity narrow- band but highly-tunable THz source in combination with the s-SNOM technique, has been explored. Here, the characteristic near-field signatures at wavelengths from 35–230 μm are shown. Moreover, the realization of material sensitive THz near-field imaging is demonstrated by optically resolving, a structured gold rod with a reso- lution of up to 60 nm at 98 μm wavelength. Not only can the gold be distinguished from the silica substrate but moreover parts of the structure have been identified to be residual resin from the fabrication process. Furthermore, in order to explore the resolution capabilities of the technique, the near-fields of patterned gold nano- structures (Fischer pattern) were imaged with a 50 nm resolution at wavelengths up to 230 μm (1.2 THz). Finally, the imaging of a topography-independent optical material contrast of embedded organic structures, at exemplary 150 μm wavelength is shown, thereby demonstrating that the recorded near-field signal alone allows us to identify materials on the nanometer scale. The ability to measure spectroscopic images by THz-s-SNOM, will be of benefit to fundamental research into nanoscale composites, nano-structured conductivity phenomena and metamaterials, and furthermore will enable applications in the chemical and electronics industries. / Die Bildgebung mit THz Strahlung im Nanobereich ist höchst wünschenswert für genaue Materialuntersuchungen, welche nicht in anderen Spektralbereichen durchgeführt werden kann. Aufgrund des Beugungslimits ist kann jedoch mit klassischen Methoden keine bessere Auflösung als etwa 100 μm für THz-Strahlung erreicht werden. Die Methode der Streulicht-Nahfeldmikroskopie (s-SNOM) verspricht jedoch dieses Beugungslimit zu durchbrechen. In der vorliegenden Arbeit wird die Realisierung der Nahfeld-Mikroskopie und Spektroskopie im THz-Spektralbereich von 30–1500 μm (0.2–10 THz) präsentiert. Dies wurde mittels zweier grundsätzlich unterschiedlichen Strahlungsquellen an separaten Experimentaufbauten erreicht: Einer photoleitenden Antenne welche gepulste breitbandige THz-Strahlung von 0.2–2 THz emittiert, sowie einem Freie- Elektronen Laser (FEL) als schmalbandige hochleistungs Quelle, durchstimmbar von 1.3–10 THz. Mit dem photoleitenden Antennensystem konnte zum ersten mal demonstriert werden, dass mit breitbandigen THz-Pulsen Nahfeldspektroskopie möglich ist. Dazu wurde die übliche THz-Time-Domain-Spektroskopie (THz-TDS) zur Erhaltung der spektroskopischen s-SNOM Informationen, sowie asynchrones optisches Abtasten (ASOPS) für schnelle Fernfeld Spektroskopie eingesetzt. Die nahfeldspektroskopischen Fähigkeiten des Mikroskops wurden anhand von Messungen an Gold sowie unterschiedlich dotierten Siliziumproben demonstriert. Dabei konnte gezeigt werden, dass die spektrale Antwort den theoretischen Voraussagen des Drude- sowie Dipol Modells folgt. Während das breitband THz-TDS basierte s-SNOM spektroskopische Nahfelduntersuchungen zulässt, limitiert jedoch die schwache Ausgangsleistung der THz-quelle diese Technik insofern, dass praktisch nur Punktspektroskopie an ausgesuchten Probenstellen möglich ist. Für echte nanoskopische Nahfeldbildgebung wurde daher ein FEL als durchstimmbare hochleistungs THz-Quelle in Kombination mit der s-SNOM-Technik erforscht. Hierzu wurden die charakteristischen Nahfeld-Signaturen bei Wellenlängen von 35–230 μm untersucht, gefolgt von die Verwirklichung materialsensitiver THz Nahfeldbildgebung gezeigt an Goldstreifen mit bis zu 60 nm Auflösung. Dabei kann nicht nur das Gold von dem Glassubstrat unterschieden werden, sondern auch Ablagerungen als Überreste des Fabrikationsprozesses identifiziert werden. Um die Grenzen der Auflösungsmöglichkeiten dieser Technik zu sondieren, wurden weiterhin die Nahfelder von gemusterten Gold-Nanostrukturen (Fischer-Pattern) bei Wellenlängen bis zu 230 μm (1.2 THz) abgebildet. Hierbei wurde eine Auflösung von 50 nm festgestellt. Schliesslich konnte der topographieunabhängige Materialkontrast von eingebetteten organischen Strukturen, exemplarisch bei 150 μm Wellenlänge, gezeigt werden. Die Fähigkeit, spektroskopische Aufnahmen mittels der THZ-s-SNOM Technik zu erzeugen, wird der Grundlagenforschung und in der Nanotechnologie zu Gute kommen, und weiterhin Anwendungen in der Chemischen- und Halbleiterindustrie ermöglichen.

In dieser Arbeit wird der Aufbau eines Raumtemperatur-Nahfeldmikroskopes und die Implementation eines neuen nichtoptischen Abstandsregelmechanismus beschrieben und die Ergebnisse verschiedener Abbildungsarten dargestellt. Eine theoretische Modellierung des Scherkraft-Detektionsmechanismus erlaubt ein gezieltes Design fuer eine Nachnutzung. Der Aufbau eines Tieftemperatur-Konfokalmikroskopes, das zum Tieftemperatur-Nahfeldmikroskop erweiterbar ist, wird dargelegt. Die Abhaengigkeit des Photobleichens einzelner Terrylen-Molekuele von der Temperatur wird untersucht. Beobachtungen der spektralen Diffusion von Terrylen-Molekuelen werden dargelegt. Den Hauptteil dieser Arbeit bilden Untersuchungen am N-V Farbzentrum im Diamant. Einzelne Defektzentren wurden bei tiefen Temperaturen abgebildet und mittels Fluoreszenz-Anregungsspektroskopie untersucht, die Fluoreszenz-Emissionsdynamik wurde mit Autokorrelationsmessungen studiert. Das Temperaturverhalten der Fluoreszenzintensitaet, die Autokorrelation der Fluoreszenzintensitaet und die verzoegerte Fluoreszenz beweisen die Existenz eines metastabilen Zustandes. Durch Einstrahlen einer zweiten Wellenlaenge verkuerzt sich die Verweilzeit im metastabilen Zustand und die mittlere Fluoreszenzrate wird erhoeht (Deshelving). Die Tieftemperaturspektren widersprechen in mehreren Punkten den aus der Literatur bekannten Werten, die an hoeherkonzentrierten Proben gemessen wurden. Diese Unterschiede werden diskutiert und sind mit einer in hoeherkonzentrierten Proben verstaerkten Verspannung zu erklaeren. Ein Vergleich mit Diamant-Nanokristalliten, in denen eine erhoehte Verspannung auftritt, bestaetigt den Zusammenhang zwischen schmalen Uebergaengen und wirkender Verspannung durch das Auftreten von schmalen Emissionslinien.

Surface polaritons, i.e., collective oscillations of the surface charges, strongly influence the optical response at the micro- and nanoscale and have to be accounted for in modern nanotechnology. Within this thesis, certain basic phenomena involving surface polaritons are investigated by means of the semianalytical multiple-multipole (MMP) method. The results are compared to experiments. In the first part, the surface plasmon resonance (SPR) of metal nanoparticles is analyzed. This resonant collective oscillation of the free electrons in a metallic nanoparticle leads to an enhancement and confinement of the local electric field at optical frequencies. The local electric field can be further increased by tailoring the shape of the particle or by using near-field-interacting dimers or trimers of gold nanospheres. The hot spots found under such conditions increase the sensitivity of surface-enhanced Raman scattering by several orders of magnitude and simultaneously reduce the probed volume, thereby providing single-molecule sensitivity. The sub-wavelength-confined strong electromagnetic field associated with a SPR provides the basis for scattering-type near-field optical microscopy or tip-enhanced Raman spectroscopy, where the metal particle serves as a probe that is scanned laterally in the vicinity of a substrate. The presence of the latter causes a characteristic shift of the SPR towards lower frequencies. This effect originates in the near-field interaction of the surface charges on the objects. Furthermore, the excitation of higher-order modes becomes possible in case of an excitation by a strongly inhomogeneous wave, such as an evanescent wave. These modes may significantly contribute to the near field but have only very little influence on the far-field signature. Instead of using resonant probes, one may place a nonresonant probe in the vicinity of a substrate having a high density of electromagnetic surface states. This also produces a resonance of the light scattering by the system. Especially polar crystals, such as the investigated silicon carbide, feature such a high density of surface phonon polariton states in the mid-infrared spectral region, which can be excited due to the near-field interaction with a polarized particle. Thereby, a resonance is created leading to a strong increase of the electric field at the interface. In the second part of the thesis, special emphasis is put on surface plasmon polaritons (SPPs). Such propagating surface waves can be excited directly by plane waves only at patterned interfaces. This process is studied for the case of a groove. The groove breaks the translational invariance, so that the SPPs can be launched locally at the edges of the groove. Additionally, the mode(s) inside the groove are excited. These modes can basically be understood as metal-insulator-metal cavity modes. Their dispersion strongly depends on the groove width. The cavity behavior caused by the finite depth provides another degree of freedom for optimizing the SPP excitation by plane waves. Thin metallic films deposited on glass offer two different SPP waveguide modes, each of which can be addressed preferentially by a proper choice of the width of the groove. The reflection, transmission, scattering, and the conversion of the modes at discontinuities such as edges, steps, barriers, and grooves can be controlled by appropriately designing the geometry at the nanoscale. Furthermore, the excitation of SPPs at single and multiple slits in thin-film metal waveguides on glass and their propagation and scattering is shown by scanning near-field optical experiments. Such waveguide structures offer a means for transporting light in a confined way. Especially triangularly shaped waveguides can be used to guide light in sub-wavelength spaces. / Die Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit subwellenlängenkleinen Teilchen bzw. Oberflächenstrukturen ermöglicht nicht nur eine Miniaturisierung optischer Geräte, sondern erlaubt sehr interessante Anwendungen, beispielsweise in der Sensorik und Nahfeldoptik. In der vorliegenden Arbeit werden die zu Grunde liegenden Effekte im Rahmen der klassischen Elektrodynamik mit Hilfe der semianalytischen Methode der multiplen Multipole (MMP) analysiert, und die Ergebnisse werden mit Experimenten verglichen. Im ersten Teil werden Oberflächenplasmonenresonanzen (engl. surface plasmon resonance - SPR) einzelner und wechselwirkender Metallteilchen untersucht. Die dabei auftretende resonante kollektive Schwingung der freien Elektronen des Partikels bewirkt eine deutliche Erhöhung und Lokalisierung des elektromagnetischen Feldes in seiner Umgebung. Die spektrale Position und die Stärke der SPR eines Nanoteilchens, die von dessen geometrischer Form, Permittivität und Umgebung abhängen, können nur im Grenzfall sehr kleiner Teilchen elektrostatisch beschrieben werden, wohingegen der verwendete semianalytische MMP-Ansatz weitaus flexibler ist und insbesondere auch auf größere Partikel, Teilchen mit komplizierterer Form bzw. Ensembles von Partikeln anwendbar ist. Die betrachteten einzelnen kleinen (< Wellenlänge) Goldkügelchen und Silberellipsoide besitzen eine stark ausgeprägte SPR im sichtbaren optischen Bereich. Diese ist auf eine dipolartige Polarisierung des Teilchens zurückzuführen. Höhere Moden der Polarisation können entweder als Folge von Retardierungseffekten an größeren (mit der Wellenlänge vergleichbaren) Teilchen oder bei der Verwendung inhomogener (z.B. evaneszenter) Wellen angeregt werden. Partikel, die sich in der Nähe eines Substrates befinden, unterliegen der Nahfeldwechselwirkung zwischen den (lichtinduzierten) Oberflächenladungen auf der Oberfläche des Teilchens und des Substrats. Dies führt zu einer Verschiebung der SPR zu niedrigeren Frequenzen und einer Erhöhung des lokalen elektrischen Feldes. Letzteres bildet die Grundlage z.B. der spitzenverstärkten Raman-Spektroskopie und der optischen Nahfeldmikroskopie mit Streulichtdetektion. Dasselbe Prinzip bewirkt ein stark überhöhtes elektrisches Feld zwischen miteinander wechselwirkenden Nanopartikeln, welches z.B. die Sensitivität der oberflächenverstärkten Raman-Mikroskopie um mehrere Größenordnungen steigern kann. Im Gegensatz zur SPR einzelner Nanopartikel kann die Resonanz der Lichtstreuung im Fall eines Partikels in der Nähe eines Substrats aus der durch die Nahfeldwechselwirkung induzierten Anregung elektromagnetischer Oberflächenzustände entstehen. Diese wirken ihrerseits auf das Nanopartikel zurück, wobei eine resonante Lichtstreuung beobachtbar ist. Dieser, am Beispiel einer metallischen Nahfeldsonde über einem Siliziumcarbid-Substrat analysierte, Effekt ermöglicht bei einer ganzen Klasse von polaren Kristallen interessante Anwendungen in der Mikroskopie und Sensorik basierend auf der hohen Dichte von Oberflächenphononpolaritonen dieser Kristalle im mittleren infraroten Spektralbereich und deren nahfeldinduzierten Anregung. Im zweiten Teil der Arbeit werden kollektive Anregungen von Elektronen an Metalloberflächen untersucht. Die dabei auftretenden plasmonischen Oberflächenwellen (engl. surface plasmon polaritons - SPPs) weisen einen exponentiellen Abfall der Intensität senkrecht zur Grenzfläche auf. Diese starke Lokalisierung der Energie an der Oberfläche bildet die Grundlage vieler Anwendungen, z.B. im Bereich der hochempfindlichen Detektion (bio)chemischer Verbindungen oder für eine zweidimensionale Optik (engl. plasmonics). Das Aufheben der Translationsinvarianz längs der Oberfläche ermöglicht die direkte Anregung von SPPs durch ebene Wellen. Die Abhängigkeit dieser Kopplung von der Geometrie wird am Beispiel eines Nanograbens untersucht. Dabei werden neben den SPPs ebenfalls eine oder mehrere Moden im Graben angeregt. Folglich ermöglicht die geeignete Wahl der Grabengeometrie die Optimierung der Umwandlung von ebenen Wellen in SPPs. Im - in der Praxis weit verbreiteten - Fall asymmetrisch eingebetteter metallischer Dünnschichtwellenleiter existieren zwei Moden. In Abhängigkeit von der Grabenbreite kann die eine oder die andere Mode bevorzugt angeregt werden. Die Analyse der Wechselwirkung von SPPs mit Oberflächenstrukturen, z.B. Kanten, Stufen, Barrieren und Gräben, zeigt die Möglichkeit der Steuerung der Reflexions-, Transmissions- und Abstrahleigenschaften durch die gezielte Wahl der Geometrie der "Oberflächendefekte" auf der Nanoskala und deckt die zu Grunde liegenden Mechanismen und die daraus resultierenden Anforderungen bei der Herstellung neuer plasmonischer Komponenten auf. Exemplarisch wird das Prinzip der SPP-Anregung an einzelnen und mehreren Gräben in dünnen metallischen Filmen sowie der subwellenlängen Feldlokalisierung an sich verjüngenden metallischen Dünnschichtwellenleitern unter Verwendung der optischen Nahfeldmikroskopie experimentell gezeigt.