Bow-tie-Nanoantennen mit variablen Abständen im sub-10 nm- und quantenmechanischen Regime

Abstract

Das Thema dieser Arbeit ist die Herstellung und optische Charakterisierung von Bow-tie-Nanostrukturen mit möglichst kleinen Lücken. Das übergeordnete Ziel ist die Minimierung der Lückengröße zwischen zwei Nanostrukturen in das sub-1 nm Regime, wobei der Abstand mechanisch variierbar und die momentane Lückengröße quantifizierbar sein soll. Um den Abstand zwischen zwei Nanostrukturen zu vermindern und mechanisch kontrollierbar zu gestalten, werden verschiedene Verfahren entwickelt und geprüft. In dieser Arbeit werden die Nanostrukturen meist mittels Elektronenstrahllithografie definiert. Eine Variante die Lücken der Bow-ties mechanisch zu variieren ist der Übertragung der Nanostrukturen auf ein flexibles Substrat. Durch Strecken des Substrats können somit die Lückenabmessungen verändert werden. Je nach Ausrichtung der Nanoantenne zur Streckrichtung des Substrats kann die Lücke vergrößert oder verkleinert werden. Auf diese Weise wurden Bow-ties mit sub-10 nm Lücken realisiert. Dieser Effekt wird mittels Dunkelfeldspektroskopie nachgewiesen und erlaubt Einblicke in die Kopplungseigenschaften von Dimeren. Eine weitere Verkleinerung der Lückengröße wird erzielt, indem Bow-ties durch fokussiertes Heliumionenstrahl-Ätzen hergestellt werden. Die gute Fokussierbarkeit des Heliumionenstrahls macht es möglich, die Lückengröße auf 5 nm zu verringern. Es werden verschiedene Verfahren vorgestellt, wie wohldefinierte Nanostrukturen zeiteffizient hergestellt werden können. Außerdem wird der Einfluss von fraktalen Geometrien auf die optischen Eigenschaften der Nanoantennen untersucht. Hierzu werden die Bow-ties durch fokussiertes Heliumionenstrahl-Ätzen substrukturiert, sodass sie Sierpinski-Fraktalen verschiedener Ordnung ähneln. Es konnte eine Verschiebung der Kopplungsmode und eine Erhöhung des Nahfeldes der Antennen gezeigt werden. Lücken im sub-1 nm Regime werden erreicht, indem elektrisch kontaktierte Nanostrukturen auf biegbaren Substraten entworfen und hergestellt werden. Diese Herangehensweise verwendet das Konzept mechanisch kontrollierbarer Bruchkontakte, in welche eine plasmonische Nanostruktur integriert ist. Die beiden Dreiecke der Bow-tie sind nach der Herstellung noch verbunden und werden durch mechanisches Biegen des Substrats zerbrochen, sodass eine Lücke entsteht. Um die Nanoantennen optisch zu charakterisieren, werden diese im Fokus eines konfokalen Mikroskops gebrochen. Die Lücke der Nanostruktur kann durch eine Veränderung der Biegung eingestellt und in situ durch die Messung des Tunnelstroms quantifiziert werden. Dieses Vorgehen ermöglicht die Untersuchung der Einflüsse quantenmechanischer Effekte auf die plasmonischen Eigenschaften der Antenne.