Optische Eigenschaften metallischer Nanogitter

Forschungsprojekt P 14292Optische Eigenschaften metallischer NanogitterFranz R. AUSSENEGG06.03.2000 Der wissenschaftliche und technologische Fortschritt eröffnet seit wenigen Jahren eine neue Dimension - den optischen Nanokosmos. Neuartige Lichtmikroskope können Strukturen weit unter einem Mikrometer - das ist ein Millionstel Meter - auflösen und durchbrechen dadurch die Auflösungsgrenze der konventionellen Lichtmikroskopie (Abbe-Limit). Am Institut des Antragstellers wurde ein PSTM (Photon Scanning Tunneling Microscope) aufgebaut, das eine optische Nahfeldauflösung von einem zwanzigstel Mikrometer - das sind 50 Nanometer - erreichen kann (FWF-P9519-PHY). Mit diesem Mikroskoptypus wurden vor kurzem die optischen Nahfelder von Plasmonen an nanometrischen Metallpartikeln detektiert (Plasmonen sind kollektive Oszillationen der Elektronen des Metallteilchens). Die genaue Kenntnis dieser physikalischen Erscheinung ist für die weitere Miniaturisierung der heutigen Mikrooptik von großer Wichtigkeit. Als Basiselemente einer solchen Subwellenlängen-Licht-Technologie (auch Nanooptik genannt) könnten nämlich metallische Nanostrukturen eingesetzt werden, die das Licht nach den selben physikalischen Prinzipien transportieren wie makroskopische Drähte Radiowellen. Der Lichttransport wird dabei entscheidend von den - nur bei Lichtwellenlängen - resonant anregbaren Elektronenoszillationen beeinflußt. Theoretische Berechnungen sagen voraus, daß für den Fall, daß eine Vielzahl identer metallischer Nanopartikel in Form eines regelmäßigen Gitters angeordnet sind, die Resonanz der kollektiven Elektronenoszillation sich anders verhält als beim Einzelpartikel. Im Rahmen des gegenständlichen Projektes soll dies experimentell überprüft werden. Insbesondere sollen die räumliche Verteilung und Stärke des optischen Nahfeldes solcher Gitterstrukturen bestimmt werden. Außerdem soll die Abhängigkeit der nur wenige Femtosekunden - d.h. wenige Millionstel einer Milliardstel Sekunde - kurzen Abklingzeit der Elektronenoszillationen von der Geometrie der Gitterstruktur bestimmt werden. Dies erfolgt mithilfe eines am Institut entwickelten Lasermeßverfahrens. Die nanometrischen Gitterstrukturen werden mit modernen Elektronenstrahl-Lithographie-Methoden hergestellt. Bei diesen Strukturierungsverfahren wird statt Licht ein deutlich schmälerer Elektronenstrahl zur Belichtung einer Maske verwendet. Ziel des Forschungsvorhabens ist ein umfassendes Verständnis der Plasmonen-Gitter-Effekte von 2-dimensionalen metallischen Nanostrukturen zu erlangen. Die daraus resultierenden Erkenntnisse sind sowohl für die heutige Mikrooptik als auch für eine zukünftige Nanooptik von großem Nutzen.

Im Rahmen des gegenständlichen Projektes wurden mit unterschiedlichen experimentellen und theoretischen Methoden die optischen Eigenschaften von nanostrukturierten Metallgittern untersucht. Optische Nahfeld-, Fernfeld- sowie zeitaufgelöste Messungen führten zu einem umfassenden Verständnis des Einflusses der Gittergeometrie auf die Wechselwirkung von sichbarem Licht mit den metallischen Nanogittern. Die voranschreitende Miniaturisierung führt Wissenschaft und Technologie immer wieder an neue Grenzen. So verlangt der Schritt von der Mikro- zur Nanooptik optische Bauteile mit Abmessungen die kleiner sind als eine Wellenlänge des sichtbaren Lichtes, also kleiner als ein zweitausendstel Millimeter. Nun erlauben metallische Nanostrukturen mit einem Durchmesser von wenigen Millionstel Millimetern noch eine Manipulation von sichtbarem Licht, da die Lichtwelle die Leitungselektronen des Metalls zu kollektiven Oszillationen - sogenannten Plasmonen - angeregt. In diesem Projekt wurden der sowohl für die Grundlagenforschung als auch für Anwendungen interessante Fall von solchen metallischen Nanostrukturen in regelmäßiger Anordnung untersucht. Zu diesem Zweck wurde die Geometrie von Gold- und Silber-Nanodrähten und Nanopartikel mittels Elektronenstrahl-Lithographie optimiert. Mit unterschiedlichen experimentellen Methoden wurde der Einfluß der Gitterkonstante, also des Abstandes der einzelnen Nanostrukturen voneinander, auf die Wechselwirkung der Nanogitter mit sichtbarem Licht und insbesondere auf die Plasmonenresonanzen untersucht. Mithilfe eines am Institut entwickelten Lasermeßverfahrens konnten wir die theoretische Vorhersage, daß durch einen Gittereffekt die nur wenige Femtosekunden (wenige Millionstel einer Milliardstel Sekunde) kurze Lebensdauer solcher Elektronenoszillationen um den Faktor 4 erhöht werden soll, experimentell verifiziert. Da eine längere Lebensdauer auch eine Erhöhung der optischen Nahfelder in der unmittelbaren Umgebung der metallischen Nanostrukturen bewirkt, erlaubt dieser Effekt z.B. eine deutliche Verbesserung bestehender Verfahren zur oberflächenverstärkten Molekülanregung, was insbesondere für Anwendungen in der biochemischen Sensorik von Bedeutung ist. Hochaufgelöste Intensitätsverteilungen der optischen Nahfelder solcher metallischer Nanogitter mit unterschiedlicher Gittergeometrie wurde mit einem PSTM (Photon Scanning Tunneling Microscope), das am Institut des Antragstellers aufgebaut wurde, gemessen. Die experimentellen Ergebnisse stimmen ausgezeichnet mit theoretischen Modellrechnungen überein. Über die ursprünglichen Ziele des Antrages hinausgehend, konnten neue physikalische Phänomene wie die Anregung multipolarer Plasmonen und die physikalischen Grundlagen für eine quasi zwei dimensionale (chipartige) Plasmonenoptik erforscht werden. Die Forschungsergebnisse finden nicht nur in der physikalischen Fachwelt Interesse. Sie werden auch in nicht fachspezifischen Publikationen als richtungsweisend für die Entwicklung nano-srukturierter optoelektronischer Bauteile gewürdigt (siehe z.B.: The Economist, 24-10-2002 ).