Complex 2D & 3D plasmonic nanostructures : Fano resonances, chirality, and nonlinearities

Abstract

This thesis covers two topics of the still emergent field of plasmonics. On the one hand we make use of the interaction of particle plasmon resonances to create 2D as well as 3D complex plasmonic structures which show radically different optical properties than the individual building blocks do. On the other hand we utilize the strongly enhanced local electric field associated with plasmonic nanostructures for nonlinear optical processes.

In particular, we study the formation of Fano resonances in complex nanoparticles arrangements. So-called plasmonic oligomers, that are highly symmetric arrangements of metallic nanoparticles, are discussed in detail. These clusters support dark modes which lead to pronounced scattering minima in their otherwise broad dipolar scatting peaks. We demonstrate the amazing tunability of these clusters and the formation of higher order dark modes. Moreover, we discuss the plasmonic analogue of electromagnetically induced transparency (EIT) in 2D as well as 3D arrangements of metallic nano-bars. We show that such 3D particle groupings are capable of encoding their 3D arrangement in well pronounced and unique optical spectra. We thus envision that our structure can serve as a three-dimensional plasmon ruler enabling the optically determination of three-dimensional arrangements on the nanoscale. Taking the concept of plasmonic EIT one step further, we demonstrate that the destructive interference between normal plasmonic modes, which leads to plasmonic EIT and decreased absorbance in the structure, can be switch to constructive interference and thus enhanced absorbance. It can be argued that this phenomenon is the plasmonic analogue of electromagnetically induced absorbance (EIA).

What is more, we discuss the formation of optical chirality in 3D arrangements of metallic nanoparticles which vastly outperform any naturally occurring chiral substances in the strength of their interaction with an external light field. We deduce the prerequisites for this strong response and demonstrate that only configurational chirality, that is a handed arrangement of equally sized particles, leads to a strong plasmonic chiral optical response. Compositional chirality, that is the use of different sized particles in an unhanded arrangement, is not favourable. This finding is in contrast to chemistry and molecular physics where a so-called chiral center, a carbon atom dressed with four different ligands, is the archetype chiral building block. Moreover, we show that it is possible to optically deduce the spatial arrangements of individual particles in these structures, as chirality is an inherently 3D property. Furthermore, we will demonstrate the formation of a strong and broadband chiral optical response upon the formation of charge transfer modes, that is, due to ohmic contact of the clusters constituents. Finally, we demonstrate the plasmonic analogue of diastereomers, structures possessing several chiral centers. We thus construct plasmonic composite structures consisting of two different handed sub-units. We show that the optical response, in striking contrast to their molecular counterparts, can be described in terms of fundamental building blocks. The chiral optical response of such complex structures can thus be traced back to the optical properties of the constituting elements.

Finally, we investiagte nonlinear optical processes in plasmonic and plasmonic-dielectric-hybrid systems. In particular, we investigate third harmonic generation from dimer nanoantennas and show that the nonlinear optical response, in contrast to common belief, is not governed by gap nonlinearities but fully described by the linear optical properties of the antenna. A simple nonlinear harmonic oscillator model is shown to reproduce all experimental features. Moreover, we will discuss the selective filling of bowtie nanoantennas with the chi2 active material LiNbO3 and the nonlinear optical response of this hybrid system. As an outlook we discuss the role of symmetries in nonlinear optics and the perceived implications for nonlinear plasmon optics.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit zwei Aspekten der Plasmonik. Zum einen machen wir uns die starke Wechselwirkung zwischen Partikel Plasmon Resonanzen in benachbarten Metall Nanopartikeln für die Konstruktion von komplexen zwei- und dreidimensionalen Nanostrukturen zunutze. Diese plasmonischen Moleküle weisen kollektive Eigenschaften auf, die sich massiv von den Eigenschaften ihrer Bestanteile unterscheiden. Zum anderen nutzen wir die mit den Resonanzen verbundenen stark überhöhten Nahfelder für nicht-linear optische Prozesse.

Wir untersuchen die Entstehung von Fano-Resonanzen in den Spektren so genannter Plamonischer Oligomere. Diese Strukturen bestehen aus hoch symmetrischen dicht gepackten Anordnungen einzelner Nanopartikel. Die entstehenden Partikelgruppierungen unterstützen dunkle Moden, d.h. Moden die nicht direkt an ein externes Lichtfeld ankoppeln. Die Wechselwirkung dieser dunkeln Moden mit den direkt anregbaren Moden der Oligomere führt zu Streu-Minima in den vormals deutlich ausgeprägten dipolaren Streu-Maxima. Des Weiteren demonstrieren wir die Formierung dunkler Moden höherer Ordnung in komplexeren Oligomeren, so wie deren spektrale und strukturelle Manipulation. Darüber hinaus diskutieren wir das plasmonische Analogon zur elektromagnetisch induzierenden Transparenz (EIT) in zwei- und dreidimensionalen Strukturen aus individuellen Metall Nanodrähten. Wir zeigen, dass solche dreidimensionalen Gruppierungen in der Lage sind, ihre genaue räumliche Anordnung in ihre spektrale Antwort einzuschreiben. Diese dreidimensionalen "Plasmonenlineale" erlauben daher das optische Auslesen von dreidimensionale Anordnung auf der Nanoskala. Wir zeigen, dass sich das Konzept der plasmonischen EIT durch gezielte Manipulation der Kopplungsphase erweitern lässt. Im Falle der EIT führt die destruktive Interferenz von Normalmoden zu einer deutlichen Reduzierung der Absorption im System. Durch Manipulation der Phasenlage zwischen diesen Moden lässt sich die destruktive in konstruktive Interferenz verwandeln und man beobachtet eine verstärkte Absorption im System. Diese Struktur kann daher als das plasmonische Analog der elektromagnetisch induzierenden Absorption (EIA) angesehen werden.

Darüber hinaus diskutieren wir die Formation einer ausgeprägten chiral optischen Antwort in dreidimensionalen Anordnungen von Metall Nanopartikeln. Wir zeigen, dass nur eine händige Anordnung gleicher Partikel zu einer chiral optischen Antwort führt. Die Anordnung unterschiedlicher Partikel an einem nicht-händigen Gerüst zeigt im besten Falle eine schwache chiral optische Antwort. Dieses Verhalten ist überraschend, da dies die vorherrschende Bauvorschrift für molekulare chirale Strukturen ist. In einem so genannten asymmetrischen Zentrum sind an ein zentrales Kohlenstoffatom vier unterschiedle molekulare Gruppen gebunden. Diese asymmetrischen Zentren bilden das Fundament der Mehrheit aller chiralen Moleküle und deren chiral optischen Antwort. Weiterhin zeigen wir, dass sich chirale Partikel-Gruppierungen hervorragend eigenen, um die räumliche Position einzelner Bestandteile optisch abzufragen. Die Formation von so genanten Ladungstransfer-Moden in komplexen chiralen Anordnungen führt zu einer breitbandigen und extrem starken chiral optischen Antwort. Weiterhin diskutieren wir komplexe plasmonische Strukturen mit mehreren chiralen Zentren. Die chiral optische Antwort der Strukturen lässt sich aus elementaren Bausteinen zusammensetzten, d.h., die komplexe Antwort kann auf die Antwort der Bausteine zurückgeführt werden. Dieses Verhalten steht im starken Widerspruch zur Molekülphysik, da die chiral optischen Eigenschaften der analogen Molekülesysteme, die aus mehreren asymmetrischen Kohlenstoffatomen bestehen, nicht auseinander vorhergesagt werden können.

Der letzte Teil der Arbeit widmet sich nichtlinarer optischer Prozesse in plasmonischen und plasmonisch-dielektrischen Hybridsystemen. Im Speziellen untersuchen wir die Erzeugung der dritten Harmonischen von Dimer Nanoantennen. Da diese Systeme eine starke Feldüberhöhung zwischen den Partikeln zeigen, wird im Allgemeinen erwartet, dass die nichtlineare Antwort von den Feldern zwischen den Partikeln dominiert wird. Im Widerspruch zu dieser Erwartung beschreibt ein einfaches harmonisches Oszillatormodell mit kubischer Störung das dritte Harmonische Signal in spektraler Position, Form und Amplitude einzig aus der Kenntnis der linearen Antwort. Darüber hinaus diskutieren wir das selektive Einfüllen von LiNbO3 Nanokristallen in den Zwischenraum von Dimer Nanoantennen und untersuchen die nichtlinear optische Antwort dieses Hybrid-Systems. Als Ausblick diskutieren wir den Einfluss von Symmetrien auf nichtlinear optische Phänomene und die mögliche Konsequenzen für die nichtlinare Plasmon Optik.