Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-5051
Authors: Ameling, Ralf
Title: Microcavity plasmonics
Other Titles: Plasmonik in Mikrokavitäten
Issue Date: 2011
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-65100
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/5068
http://dx.doi.org/10.18419/opus-5051
Abstract: The understanding of light-matter interactions at the nanoscale lay the groundwork for many future technologies, applications and materials. The scope of this thesis is the investigation of coupled photonic-plasmonic systems consisting of a combination of photonic microcavities and metallic nanostructures. In such systems, it is possible to observe an exceptionally strong coupling between electromagnetic light modes of a resonator and collective electron oscillations (plasmons) in the metal. Near-field coupled nanowire pairs were placed between two metal layers that form a microcavity. Depending on the position of the nanowires in the microcavity, electric as well as magnetic modes of the light can be coupled to symmetric and antisymmetric plasmon modes exhibiting electric and magnetic dipoles. The measured coupling strengths both in the electric and magnetic case are extremely high. If the nanostructures are placed close to the mirrors of the cavity, both localized particle plasmons as well as propagating surface plasmons at the interfaces of the metal can be excited and strongly coupled to the photonic light modes. Furthermore, a first possible application of the structures as sensors was explored. The results have shown, that coupled photonic-plasmonic structures possess a considerably higher sensitivity to changes in their environment than conventional localized plasmon sensors due to a plasmon excitation phase shift that is depending on the environment. The thesis includes theoretical models and simulations of near- and far-field coupled plasmonic systems to explain the observed phenomena. Furthermore, the experimental techniques for the fabrication and characterization of multilayer nanostructures are presented. The results of the thesis contribute to a better understanding of light-metal interactions in three-dimensional near- and far-field coupled plasmonic nanostructures and disclose possibilities of their initial practical use.
Das Verständnis der Wechselwirkungen von Licht und Materie im Nanometerbereich bildet die Grundlage für viele zukünftige Technologien, Anwendungen und Materialien. Im Rahmen dieser Arbeit wurden gekoppelte plasmonisch-photonische Systeme untersucht, die aus einer Kombinations von photonischen Mikroresonatoren und metallischen Nanostrukturen bestehen. In solchen Systemen ist es möglich, eine besonders starke Kopplung zwischen den elektromagnetischen Lichtmoden eines Resonators und kollektiven Elektronenschwingungen (Plasmonen) im Metall zu beobachten. Über das Nahfeld gekoppelte Nanodrahtpaare wurden dazu zwischen zwei Metallschichten, die einen Mikroresonator bilden, platziert. Abhängig von der Position der Nanodrähte im Mikroresonator können dabei sowohl elektrische als auch magnetische Moden des Lichts an symmetrische und antisymmetrische Plasmonenmoden koppeln, die jeweils elektrische und magnetische Dipole aufweisen. Die gemessenen Kopplungsstärken sind dabei sowohl im elektrischen als auch im magnetischen Fall außergewöhnlich hoch. Platziert man die Nanostrukturen nahe an die Spiegel des Resonators, können neben den lokalisierten Teilchenplasmonen auch propagierende Oberflächenplasmonen an den Grenzschichten des Metalls angeregt und stark an die photonsichen Lichtmoden gekoppelt werden. Darüber hinaus wurde eine erste Anwendungsmöglichkeit der Strukturen als Sensoren untersucht. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass gekoppelte photonisch-plasmonische Strukturen durch umgebungsabhängige Phasenverschiebungen bei der Plasmonenanregung eine weitaus höhere Sensitivität gegenüber Änderungen in ihrer Umgebung als herkömmliche lokalisierte plasmonische Sensoren aufweisen. Die Arbeit umfasst theoretische Modelle und Simulationen von nah- und fernfeldgekoppelten plasmonischen Systemen um die beobachteten Phänomene zu erklären. Außerdem werden die experimentellen Verfahren zur Herstellung und Vermessung der mehrschichtigen Nanostrukturen vorgestellt. Die Ergebnisse der Arbeit tragen zu einem besseren Verständnis von Licht-Metall-Wechselwirkungen in dreidimensionalen nah- und fernfeldgekoppelten plasmonischen Nanostrukturen bei und zeigen erste Möglichkeiten zu deren praktischer Anwendung auf.
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