Fabrication and optical characterization of metamaterials and nano-antennas

Abstract

In this thesis, we have investigated the optical properties of metamaterials and optical nano-antennas. The structures were fabricated with electron beam lithography and subsequent dry etching process. The linear transmission and reflection of these structures were measured with an Fourier transform infrared spectrometer. We also performed numerical simulations with a finite integration time domain algorithm.

Split-ring resonators (SRRs) are promising building blocks for negative permeability metamaterials. By investigating the thickness dependence of the optical resonances of split-ring resonator metamaterials experimentally and numerically, we have demonstrated that the plasmonic model describes well the resonance behavior of SRRS in the optical regime. We have shown that the resonance of an SRR can be described by that of a cut-wire with an equivalent total length. We have also shown that combining with the hybridization concept, the plasmonic model offers a simple picture to understand the optical properties of coupled system such as double SRRs.

Optical nano-antennas have attracted a great deal of attention due to their strong field enhancement and field confinement at resonance. In this thesis, we have investigated the optical properties of slot antennas using the bowtie slot antenna as a representative design. We demonstrated experimental results of bowtie slot antenna arrays in a thin metal film. Assisted by the numerical simulation tools, the resonance properties of bowtie slot antennas have been discussed in the framework of geometry dependence. We showed that two distinct types of resonances can be supported by bowtie slot antennas in the near infrared and visible spectral range, and they show a complementary behavior with respect to geometry dependence. We also investigated the effect of metal properties on the resonances of bowtie slot antennas.

In dieser Arbeit wurden die optischen Eigenschaften von Metamaterialien und optischen Nano-Antennen untersucht. Die Proben wurden durch Elektronenstrahllithographie und anschließendes Trockenätzen hergestellt. Die lineare Transmission und Reflektion wurden mit einem Fouriertransformations-IR-Spektrometer gemessen. Außerdem wurden numerische Simulationen mit der Methode der Finiten Integration durchgeführt.

Split-Ring-Resonatoren (SRR) sind vielversprechende Bauelemente für Metamaterialien mit negativer Permeabilität. Durch experimentelle und numerische Untersuchung der Schichtdicken abhängigkeit der optischen Resonanzen von SRR-Metamaterialien konnten wir zeigen, dass das Plasmonen-Modell die Resonanz eines SRRs im optischen Spektralbereich wiedergibt. Wir haben gezeigt, dass die Resonanz eines SRR durch die eines Nanodraht mit äquivalenter Gesamtlänge gut beschrieben wird. Außerdem liefert das Plasmonen-modell in Kombination mit dem Konzept der Hybridisierung ein einfaches Modell für das Verständnis der optischen Eigenschaften gekoppelter Systeme, wie z.B. Doppel-Split-Ring-Resonatoren.

Optische Nano-Antennen stellen ein interessantes optisches System dar, da sie im Bereich ihrer Resonanz das elektrische Lichtfeld sehr stark verstärken und die Lichtenergie in einem sehr kleinen Raumbereich eingeschlossen wird. In dieser Arbeit werden die optischen Eigenschaften einer Slot-Antenne untersucht, wobei die Bowtie-Slot-Antenne als repräsentatives Design gewählt wird. Periodische Anordnungen von Bowtie-Slot-Antennen in einem dünnen Metallfilm konnten experimentell hergestellt und charakterisiert werden. Die Abhängigkeit der Resonanzeigenschaften von der geometrischen Form der Antenne konnten anhand numerischer Simulationen untersucht werden. Dabei kann man im optischen und infraroten Spektralbereich zwei Resonanzen unterscheiden, die sich im Hinblick auf die Abhängigkeit von der Antennengeometrie komplementär verhalten. Darüberhinaus wurde die Materialabhängigkeit der Resonanzen von Bowtie-Slot-Antennen untersucht.