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Der Überbegriff Plasmonik beschreibt eine Vielzahl an Phänomenen, welche von den einzigartigen optischen Eigenschaften abhängig sind, die auftreten, wenn man die Größe von Metallen auf Dimensionen auf der Nanometerskala schrumpft.
Lokalisierte Oberflächenplasmon-Polaritonen beschreiben die Wechselwirkung von Licht mit kollektiven Oszillationen der freien Elektronengasdichte in Metallpartikeln, die kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts. Die induzierten Fluktuationen der elektrischen Ladungen wiederum führen zu elektromagnetischen Oszillationen. Die zugehörigen elektromagnetischen Felder sind stark an den Oberflächen der metallischen Nanostrukturen lokalisiert, sogar bis unterhalb der Beugungsgrenze von Licht. Daher ermöglichen sie im Vergleich zum anregenden Lichtfeld hohe Feldverstärkungen. Zusätzlich weisen plasmonische Partikel wohldefinierte Absorptions- und Streuquerschnitte auf, was sie zu vielversprechenden Kandidaten für vielfältige Einsatzmöglichkeiten macht, beispielsweise in elektro-optischen Bauteilen oder in biosensorischen Anwendungen.
In dieser Arbeit wurden verschiedene plasmonische (Hybrid-)Systeme analysiert, um ihre optischen Eigenschaften in Hinblick auf Verstärkungseffekte und Polarisationsabhängigkeiten zu untersuchen.
Um das Emissionsverhalten von Halbleiter-Nanokristallen zu ermitteln, welche an die Spitzen von resonant-gestimmten plasmonischen Nanokegeln gebunden wurden, wurden Hybrid-Systeme aus CdSe/ZnS Quantendots und Gold-Nanokegeln hergestellt. Sowohl die Systeme im Gesamten, als auch ihre einzelnen Komponenten wurden mittels Dunkelfeld-Spektroskopie und konfokaler Photolumineszenz-Spektroskopie optisch untersucht. (In Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. A. Meixner, Universität Tübingen.)
In einem nachfolgenden Projekt wurde ein ähnliches Hybrid-System in eine metallisch-dielektrische Bullseye Nanoantennenstruktur integriert, mit dem Ziel, den Weg zu ebnen für die Entwicklung besonders heller Einzelphotonenquellen. Der Nanokegel dient darin als plasmonischer Resonator, welcher für die Purcell-Verstärkung verantwortlich ist. Die Bullseyestruktur dient als optisches Bragg-Gitter, welches die Emission gezielt ausrichtet. (In Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. R. Rapaport, Universität Jerusalem.)
Im letzten Teil der Arbeit wurden die gestreuten Fernfelder verschiedener plasmonischer Nanostrukturen auf ihre optische Chiralität hin untersucht. Dafür wurden planare, achirale Gold-Nanorechtecke und chirale Rhomboide mit einem modifizierten Dunkelfeld-Spektroskopie-Aufbau untersucht. Dieser ermöglicht eine polarisierte Anregung und anschließende Analyse der gestreuten Lichtfelder. Die Polarisation wurde für jede Wellenlänge einzeln bestimmt und die Ergebnisse mit numerischen Simulationen des Nah- und Fernfeldes verglichen. Des Weiteren wurde eine Methode präsentiert, um den vollständigen Satz an Stokes-Parametern aus den experimentellen Daten zu bestimmen. Dieser wurde anschließend mit den Ergebnissen aus Simulationen verglichen.
Abschließend wurde ein analytisches Model entwickelt, um das Zusammenspiel zweier oder mehrerer spektral überlappender plasmonischer Moden einer einzelnen Nanostruktur zu beschreiben. Der Vergleich zwischen Messung, Simulation und analytischem Modell zeigte eine herausragende Übereinstimmung und es konnte außerdem gezeigt werden, dass auch achirale Strukturen chirale Fernfelder aufweisen können. |
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