Untersuchungen zur aktiven und passiven Dispersionskontrolle von Oberflächenplasmon-Polaritonen in Mehrschichtsystemen

Großmann, Malte

Oberflächenplasmon-Polaritonen (kurz: Plasmonen) sind elektromagnetische Wellen, die an der Grenzfläche zwischen einem Metall und einem Dielektrikum propagieren. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der Propagations- und Dispersionseigenschaften von Plasmonen an mehrschichtigen Probensystemen. In solchen Systemen können die Eigenschaften der Plasmonen nicht nur von den dielektrischen Eigenschaften der Metallschicht und des direkt angrenzenden Dielektrikums bestimmt sein, sondern können auch von den Eigenschaften weiterer Super- und Substrate abhängen. Zu diesem Thema werden drei Studien vorgestellt, in denen die plasmonischen Eigenschaften in solchen mehrschichtigen Systemen mit Hilfe von Photoemissionselektronenmikroskopie (PEEM) ausgemessen und anhand von analytischen und numerischen Modellrechnungen interpretiert werden. Die ersten beiden Studien, die den Hauptteil dieser Arbeit bilden, behandeln die plasmonischen Eigenschaften in Systemen mit einer dielektrischen Polymerdeckschicht. Aus dieser Deckschicht werden in der ersten Studie nachträglich mit Hilfe von Lithografietechniken Polymerfasern gefertigt, in denen die Plasmonen analog zum Licht in Glasfasern geführt werden können. Durch die Herstellung solcher Polymerfasern können die Dispersionseigenschaften der Plasmonen passiv kontrolliert werden. Es wird dabei gezeigt, dass die geführten Plasmonenmoden mit PEEM ausgemessen und im Zusammenspiel mit Modellrechnungen quantitativ charakterisiert werden können. In der zweiten Studie werden die dielektrischen Eigenschaften einer Polymerdeckschicht durch das Einbringen von photochemisch schaltbaren Molekülen aktiv kontrollierbar gemacht. Es wird gezeigt, dass hierdurch auch eine aktive Kontrolle der Wellenlänge der Plasmonen ermöglicht wird. Die dritte Studie befasst sich mit einem Probensystem, in dem die Metallschichtdicke so gering ist, dass Einflüsse des Substrats auf die plasmonischen Eigenschaften nicht mehr außer Acht gelassen werden können. Es wird eine zeitaufgelöste PEEM-Messung der Propagation der Plasmonen mit einem experimentellen Aufbau vorgestellt, der den senkrechten Einfall von Licht zulässt. Dabei wird eine Verschiebung der Zentralfrequenz des Plasmons beobachtet. Es wird versucht, diesen Effekt sowohl in einem statischen als auch in einem dynamischen Modell zu erklären. Beide Modelle sagen die beobachtete Verschiebung generell vorher, haben aber zu anderen experimentellen Ergebnissen eine Diskrepanz, die bisher noch nicht schlüssig korrigiert werden konnte.

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Großmann, Malte: Untersuchungen zur aktiven und passiven Dispersionskontrolle von Oberflächenplasmon-Polaritonen in Mehrschichtsystemen. 2020.

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