Metallic nano-optical systems allow to confine and guide light at the nanoscale,
a fascinating ability which has motivated a wide range of fundamental as well
as applied research over the last two decades. While optical antennas provide
a link between visible radiation and localized energy, plasmonic waveguides
route light in predefined pathways. So far, however, most experimental demonstrations
are limited to purely optical excitations, i.e. isolated structures are
illuminated by external lasers. Driving such systems electrically and generating
light at the nanoscale, would greatly reduce the device footprint and pave the
road for integrated optical nanocircuitry. Yet, the light emission mechanism as
well as connecting delicate nanostructures to external electrodes pose key challenges
and require sophisticated fabrication techniques. This work presents various
electrically connected nano-optical systems and outlines a comprehensive
production line, thus significantly advancing the state of the art. Importantly,
the electrical connection is not just used to generate light, but also offers new
strategies for device assembly. In a first example, nanoelectrodes are selectively
functionalized with self-assembled monolayers by charging a specific electrode.
This allows to tailor the surface properties of nanoscale objects, introducing an
additional degree of freedom to the development of metal-organic nanodevices.
In addition, the electrical connection enables the bottom-up fabrication of tunnel
junctions by feedback-controlled dielectrophoresis. The resulting tunnel barriers
are then used to generate light in different nano-optical systems via inelastic
electron tunneling. Two structures are discussed in particular: optical Yagi-Uda
antennas and plasmonic waveguides. Their refined geometries, accurately fabricated
via focused ion beam milling of single-crystalline gold platelets, determine
the properties of the emitted light. It is shown experimentally, that Yagi-Uda
antennas radiate light in a specific direction with unprecedented directionality,
while plasmonic waveguides allow to switch between the excitation of two
propagating modes with orthogonal near-field symmetry. The presented devices
nicely demonstrate the potential of electrically connected nano-optical systems,
and the fabrication scheme including dielectrophoresis as well as site-selective
functionalization will inspire more research in the field of nano-optoelectronics.
In this context, different future experiments are discussed, ranging from the
control of molecular machinery to optical antenna communication. / Nano-optische Systeme ermöglichen es, Licht auf der Nanoskala zu fokussieren
und zu leiten - eine faszinierende Fähigkeit, die in den letzten zwei Jahrzehnten
ein breites Spektrum an Grundlagen- und angewandter Forschung motiviert
hat. Während optische Antennen lokalisierte Energie mit sichtbarer Strahlung
verknüpfen, leiten plasmonische Wellenleiter das Licht in vordefinierte Bahnen.
Bislang jedoch beschränken sich die meisten Experimente auf isolierte Strukturen,
die durch externe Lichtquellen angeregt werden. Die elektrisch getriebene
Lichterzeugung auf der Nanoskala reduziert den Platzbedarf dieser Systeme
erheblich und ebnet so den Weg für optische Nano-Schaltkreise. Allerdings
stellen sowohl die Lichtemission als auch die Kontaktierung der Nanostrukturen
erhebliche Herausforderungen dar. In dieser Arbeit werden verschiedene
elektrisch kontaktierte nano-optische Systeme vorgestellt. Eine zentrale Rolle
spielt dabei die Kontaktierung - nicht nur für die Lichterzeugung, sondern
auch für die Fabrikation der jeweiligen Strukturen. In einem ersten Beispiel
werden Nanoelektroden durch Anlegen einer Spannung selektiv mit molekularen
Monolagen beschichtet. Dadurch können die chemischen und elektronischen
Oberflächeneigenschaften von Nanoobjekten maßgeschneidert werden, was einen
zusätzlichen Freiheitsgrad bei der Entwicklung von optoelektronischen Nanosystemen
darstellt. Darüber hinaus ermöglicht die elektrische Kontaktierung
die Herstellung von Tunnelbarrieren mittels Dielektrophorese, was die Lichterzeugung
in verschiedenen nano-optischen Systemen durch inelastisches Elektronentunneln
ermöglicht. Hier werden zwei Strukturen diskutiert: optische
Yagi-Uda-Antennen und plasmonische Wellenleiter. Ihre ausgeklügelten Geometrien,
hergestellt aus einkristallinen Goldflocken mittels fokussiertem Ionenstrahl,
bestimmen die Eigenschaften des emittierten Lichts. Es wird gezeigt,
dass Yagi-Uda-Antennen das Licht gezielt in eine bestimmte Richtung abstrahlen,
während plasmonische Wellenleiter das Schalten zwischen zwei propagierenden
Moden ermöglichen. Damit demonstriert diese Arbeit das Potenzial von
elektrisch kontaktierten nano-optischen Systemen und wird - in Kombination
mit Dielektrophorese und selektiver Funktionalisierung - weitere Forschungen
auf dem Gebiet der Nano-Optoelektronik anregen. In diesem Zusammenhang
werden verschiedene zukünftige Experimente, von der Steuerung molekularer
Maschinen bis zur optischen Antennenkommunikation, diskutiert.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:29114 |
| Date | January 2022 |
| Creators | Ochs, Maximilian Thomas |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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