The dispersion property of periodic structures is a hot research topic in the last decade. By exploiting dispersion properties, one can manipulate the propagation of electromagnetic waves, and produce effects that do not exist in conventional materials. This thesis is devoted to two important dispersion effects: negative refraction and designed surface plasmons. First, we introduce negative refraction and designed surface plasmons, including a historical perspective, main areas for applications and current trends. Several numerical methods are implemented to analyze electromagnetic effects. We apply the layer-KKR method to calculate the electromagnetic wave through a slab of photonic crystals. By implementing the refraction matrix for semi-infinite photonic crystals, the layer-KKR method is modified to compute the coupling coefficient between plane waves and Bloch modes in photonic crystals. The plane wave method is applied to obtain the band structure and the equal-frequency contours in two-dimensional regular photonic crystals. The finite-difference time-domain method is widely used in our works, but we briefly discuss two calculation recipes in this thesis: how to deal with the surface termination of a perfect conductor and how to calculate the frequency response of high-Q cavities more efficiently using the Pad\`{e} approximation method. We discuss a photonic crystal that exhibits negative refraction characterized by an effective negative index, and systematically analyze the coupling coefficients between plane waves in air and Bloch waves in the photonic crystal. We find and explain that the coupling coefficients are strong-angularly dependent. We first propose an open-cavity structure formed by a negative-refraction photonic crystal. To illuminate the physical mechanism of the subwavelength imaging, we analyze both intensity and phase spectrum of the transmission through a slab of photonic crystals with all-angle negative refraction. It is shown that the focusing properties of the photonic crystal slab are mainly due to the negative refraction effect, rather than the self-collimation effect. As to designed surface plasmons, we design a structured perfectly conducting surface to achieve the negative refraction of surface waves. By the average field method, we obtain the effective permittivity and permeability of a perfectly conducting surface drilled with one-dimensional periodic rectangle holes, and propose this structure as a designed surface plasmon waveguide. By the analogy between designed surface plasmons and surface plasmon polaritons, we show that two different resonances contribute to the enhanced transmission through a metallic film with an array of subwavelength holes, and explain that the shape effect is attributed to localized waveguide resonances. / QC 20100817

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.

Cette thèse expérimentale s’est attachée à l’étude des effets induits par l’extension spatiale desplasmons de surface sur l’émission de matériaux organiques et inorganiques. Le système estformé d’un ensemble d’émetteurs localisés émettant principalement des plasmons de surfacedélocalisés. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à l’imagerie par microscopieplasmon, technique de plus en plus utilisée dans divers domaines, notamment la biologie. Nousavons montré que l’émission détectée en un point provient essentiellement de l’environnementet non du point observé, définissant ainsi un cercle d’influence lié à la longueur de propagationdu plasmon de surface. Quand le plasmon interagit plus fortement avec des émetteurs, ilpeut entrer en régime de couplage fort. Ce couplage fort se traduit par un changement dansles énergies du système et par l’apparition de nouveaux états hybrides excitons-plasmons, lespolaritons. Les différents émetteurs localisés (des chaines de colorants agrégés) ne sont alorsplus indépendants entre eux. Des mesures de diffusion montrent un effet collectif induit par lecouplage fort. Ces expériences ont été confirmées par des mesures de cohérence spatiale, réaliséesen ajoutant une expérience de fentes d’Young au dispositif de microscopie plasmon. Ilapparait qu’un état cohérent étendu sur plusieurs microns se forme, conformément aux prévisionsthéoriques. L’ensemble d’émetteurs se comporte alors comme une macromolécule, dontl’interaction est induite par le plasmon de surface. / This experimental thesis studies effects induced by the spatial extension of surface plasmonpolaritons on the emission properties of organic and inorganic materials. First, we focused onleakage radiation microscopy images, a technic which is now widely used in a lot of differentscientific fields, as biology for exemple. We showed that the detected emission at a given point ofthe fluorescence image of an assembly of emitters mostly comes from the environment and notfrom the observed point, defining an influence circle related to the surface plasmon propagationlength. When the surface plasmon strongly interact with emitters, the strong coupling leadsto energy modifications in the system and new hybride states excitons-plasmons appear calledpolaritons. All the different localized emitters (aggregated dye chains) are not independantanymore. Diffusion measurments showed a collective effect induced by the strong-coupling.Two Young’s slits experiment added on the optical system confirm that an extended coherentstate of several micrometers is created as predicted by theory. All emitters behave as only onemacromolecule where the interaction is mediated by the surface plasmon.

Cette thèse contribue à la compréhension fondamentale du phénomène de couplage fort de la lumière avec des molécules organiques en mettant en œuvre de nouveaux systèmes et de nouvelles techniques, afin d'étudier les modifications de propriétés de molécules couplées à des résonances photoniques. Nous présentons des techniques de nanofabrication avancées pour la création de grands réseaux de trous sur des métaux et de cavités de Fabry-Pérot (FP) nanofluidiques. Ces systèmes sont ensuite utilisés pour étudier, sous régime de couplage fort, les modifications des propriétés de surface et de volume de molécules organiques en phase solide et liquide. En particulier les transitions électroniques de molécules du colorant cyanine en solution liquide ont été couplées à des modes photoniques résonants de cavités FP nanofluidiques spécialement conçues. Leur couplage fort a conduit à une amélioration du rendement quantique d'émission, mettant en évidence la nature radiative des états polaritoniques. / This thesis contributes to the fundamental understanding of the phenomenon of strong coupling of light with organic molecules by implementing new systems and techniques in order to investigate property modifications of molecules coupled with photonic resonances. State-of-the-art nanofabrication techniques for the formation of large hole-array gratings in metals and nanofluidic Fabry-Perot (FP) cavities are presented. These systems were then invested to study, under strong coupling, surface and bulk properties modifications of organic molecules in the solid and liquid phase. In particular, electronic transitions of cyanine dye molecules in liquid solutions were coupled to resonant photonic modes of specially designed nanofluidic FP cavities. Their strong coupling has led to an enhancement of the emission quantum yield, highlighting the radiative nature of the associated polaritonic states.

Dans cette thèse, nous utilisons différentes nanostructures plasmoniques pour contrôler l'émission de lumière excitée électriquement. Notre émission électrique provient d'une "nanosource STM" qui utilise le courant tunnel inélastique entre la pointe d'un microscope à effet tunnel (STM) et un échantillon métallique, pour exciter localement les plasmons polaritons de surface localisés et propagatifs. L’interaction de notre nanosource STM et d'une lentille plasmonique circulaire (une série de fentes concentriques gravées dans un film d'or épais) produit une microsource radialement polarisée de faible dispersion angulaire (≈ ± 4 °). L'influence des paramètres structuraux sur la propagation angulaire de la microsource résultante est également étudiée. En outre, une faible dispersion angulaire (<± 7 °) pour une grande plage de longueurs d'onde (650-850 nm) est obtenue. Ainsi, cette microsource électrique de lumière presque collimatée a une réponse spectrale large et est optimale sur une large plage d'énergie, en particulier en comparaison avec d'autres structures plasmoniques résonantes telles que les nanoantennes Yagi-Uda. L'interaction de notre nanosource STM et d'une lentille plasmonique elliptique (une seule fente elliptique gravée dans un film d'or épais) est également étudiée. Lorsque l'excitation STM est située au point focal de la lentille plasmonique elliptique, un faisceau lumineux directionnel à faible divergence est acquis. De plus, expérimentalement, nous trouvons qu'en changeant l'excentricité de la lentille plasmique elliptique, l'angle d'émission varie. On constate que plus l'excentricité de la lentille elliptique est grande, plus l'angle d'émission est élevé. Cette étude permet de mieux comprendre comment les nanostructures plasmoniques façonnent l'émission de lumière. L'interaction de SPP excités par STM et d'une structure de pile multicouche planaire plasmonique est également étudiée. Il est démontré qu'en utilisant l'excitation STM, nous pouvons sonder la structure de bande optique de la pile Au-SiO₂-Au. Nous trouvons que l'épaisseur du diélectrique joue un rôle important dans la modification du couplage entre les modes. Nous comparons également les résultats obtenus par excitation laser et STM de la même structure de pile. Les résultats indiquent que la technique STM est supérieure en sensibilité. Ces résultats mettent en évidence le potentiel de la STM en tant que technique de nanoscopie optique sensible pour sonder les bandes optiques des nanostructures plasmoniques. Enfin, l'interaction d'une nanosource STM et d'une plaque triangulaire individuelle est également étudiée. Nous trouvons que lorsque l'excitation STM est centrée sur la plaque triangulaire, il n'y a pas d'émission de lumière directionnelle. Cependant, lorsque la nanosource STM est située sur le bord du triangle, on obtient une émission de lumière directionnelle. Cette étude nous fournit une nouvelle voie pour atteindre l'émission de lumière directionnelle. Nous étudions également l'exploration du LDOS optique du triangle avec la nanosource STM. Ainsi, nos résultats montrent que la manipulation de la lumière est réalisée par des interactions SPP-matière. En utilisant des nanostructures plasmoniques, nous contrôlons la collimation, la polarisation et la direction de la lumière provenant de la nanosource STM. / In this thesis, we use different plasmonic nanostructures to control the emission of electrically-excited light. Our electrical emission is from an “STM-nanosource” which uses the inelastic tunnel current between the tip of a scanning tunneling microscope (STM) and a metallic sample, to locally excite both localized and propagating surface plasmon polaritons. The interaction of our STM-nanosource and a circular plasmonic lens (a series of concentric slits etched in a thick gold film) produces a radially polarized microsource of low angular spread (≈±4°). The influence of the structural parameters on the angular spread of the resulting microsource is also investigated. In addition, a low angular spread (<±7°) for a large wavelength range (650-850 nm) is achieved. Thus this electrically-driven microsource of nearly collimated light has a broad spectral response and is optimal over a wide energy range, especially in comparison with other resonant plasmonic structures such as Yagi-Uda nanoantennas. The interaction of our STM-nanosource and an elliptical plasmonic lens (a single elliptical slit etched in a thick gold film) is also studied. When the STM excitation is located at the focal point position of the elliptical plasmonic lens, a directional light beam of low angular spread is acquired. Moreover, in the experiment we find that by changing the eccentricity of the elliptical plasmonic lens, the emission angle is varied. It is found that the larger the eccentricity of the elliptical lens, the higher the emission angle. This study provides a better understanding of how plasmonic nanostructures shape the emission of light. The interaction of STM-excited SPPs and a planar plasmonic multi-layer stack structure is also investigated. It is demonstrated that using STM excitation we can probe the optical band structure of the Au-SiO₂-Au stack. We find that the thickness of the dielectric plays an important role in changing the coupling between the modes. We also compare the results obtained by both laser and STM excitation of the same stack structure. The results indicate that the STM technique is superior in sensitivity. These findings highlight the potential of the STM as a sensitive optical nanoscopic technique to probe the optical bands of plasmonic nanostructures. Finally, the interaction of an STM-nanosource and an individual triangular plate is also studied. We find that when the STM excitation is centered on the triangular plate, there is no directional light emission. However, when the STM-nanosource is located on the edge of the triangle, directional light emission is obtained. This study provides us a novel avenue to achieve directional light emission. We also study probing the optical LDOS of the triangle with the STM-nanosource. Thus, our results show that the manipulation of light is achieved through SPP-matter interactions. Using plasmonic nanostructures, we control the collimation, polarization, and direction of the light originating from the STM-nanosource.

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 (&amp;lt; 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 &amp;quot;Oberflächendefekte&amp;quot; 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.

The task of master’s thesis was to perform optimalization process for preparing metal etching mask by electron beam litography and subsequent selective wet ething of silicon with crystalographic orientation (100). Further characterization of etched surface and fabricated structures was performed. In particular, attention was given to the morphology demonstrated by scanning electron microscopy and study changes of the optical properties of gold plasmonic antennas due to their undercut.

In dieser Arbeit werden planare plasmonische Schichtsysteme unter Verwendung der transparenten leitfähigen Oxide (TCOs) Zinkgalliumoxid (GZO) und Indiumzinnoxid (ITO) untersucht, die mittels Molekularstrahlepitaxie realisiert werden. Es wird gezeigt, dass solche hochdotierten Schichten aus GZO und ITO sich wie ein Drude-Metall mit einer einstellbaren Plasmafrequenz verhalten und Oberflächenplasmon-Polaritonen (SPPs) aufweisen, die über einen breiten NIR-Spektralbereich abstimmbar sind. Die TCOs können in mehreren Schichten mit unabhängig voneinander einstellbaren Dicken und Dotierungen der einzelnen Schichten gezüchtet werden. Diese abstimmbaren Mehrschichtstrukturen ermöglichen die Realisierung plasmonischer Konfigurationen, die für eine Vielzahl komplexer hybridisierter SPP-Zustände maßgeschneidert sind. Unter anderem wird unter Ausnutzung der Photon-Plasmon-Hybridisierung ein Stopped-Light-Resonator auf Basis von ITO demonstriert. Das Mehrschichtenregime kann zu einem Übergitter aus periodisch abwechselnd dotierten und undotierten TCO-Schichten erweitert werden, das ein hyperbolisches Metamaterial (HMM) darstellt. Die Parameter dieses HMM können nach Bedarf eingestellt werden, was HMMs mit einer maßgeschneiderten Zusammensetzung ihrer einzigartigen spektralen Permittivitätsintervalle ermöglicht. Mithilfe von GZO wird ein HMM in eine planare optische Mikrokavität monolitisch eingebettet. Dieser neuartige NIR-Resonator weist eine anomale Modendispersion auf, einschließlich einem Kontinuum von Moden hoher Ordnung und einer von der Resonatorlänge unabhängigen Mode nullter Ordnung, welche Subwellenlängen-Resonanzen ermöglichen können. Es wird gezeigt, dass die Mode nullter Ordnung bei einer Kavitätslänge deutlich unterhalb ihrer Wellenlänge fortbesteht und ihre Dispersion durch den Füllfaktor des HMM steuerbar ist. Die Ergebnisse stellen somit ein neues allgemeines Konzept für die Realisierung eines Subwellenlängenresonators auf der Basis eines abstimmbaren HMM dar. / In this work, planar, layered plasmonic systems utilizing the transparent conducting oxides (TCOs) zinc gallium oxide (GZO) and indium tin oxide (ITO) facilitated by molecular beam epitaxy are investigated. It is shown that such highly doped layers of GZO and ITO prepared with behave as a Drude metal with a tunable plasma frequency and feature surface plasmon polaritons (SPPs) that are tunable over a broad NIR spectral range. TCOs can be grown in the multilayer regime with independently adjusted thicknesses and doping levels of the individual layers. These tunable multilayer structures allow for the realization of plasmonic configurations tailored to support a variety of intricate hybridized SPP states. Particularly, exploiting photon-plasmon hybridization, a stopped-light cavity is demonstrated using highly doped ITO. The multilayer regime can be extended into a superlattice of periodically alternating doped and undoped TCO layers that constitutes a hyperbolic metamaterial (HMM). The parameters of such an HMM can be set on-demand, thus allowing HMMs with a tailored composition of its unique spectral permittivity intervals. Utilizing GZO, an HMM is embedded in a planar optical microcavity monolithically. This novel type of a NIR optical resonator exhibits an anomalous resonant mode dispersion, including features like a high-order mode continuum and a cavity size independent zeroth-order mode, which can enable subwavelength resonances. It is demonstrated that the zeroth-order mode persists at cavity sizes significantly below its wavelength and its dispersion can be controlled by the fill factor of the HMM. Thus, the results propose a novel general concept for the realization of a subwavelength resonator on the basis of a tunable HMM.

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