Ultimative Plasmonik

  • 31. August 2012

Die Verstärkung elektromagnetischer Feldern durch Oberflächenplasmonen wird von nichtlokalen Effekten begrenzt.

Lichtwellen können auf Metalloberflächen elektronische Plasmaschwingungen anregen, die die Frequenz des Lichts haben, jedoch eine viel kürzere Wellenlänge aufweisen. Dadurch können diese „Oberflächenplasmonen“ die Lichtenergie in Bereichen bündeln, die kleiner sind als die Lichtwellenlänge, und sie somit lokal erheblich verstärken. Jetzt haben amerikanische und britische Forscher herausgefunden, wodurch diese Verstärkung beschränkt wird.

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Abb.: Die etwa 60 nm großen Goldnanokugeln koppeln durch eine nanometerdicke dielektrische Schicht mit einer 30 nm dicken Goldschicht. (Bild: C. Ciracì et al./Science)

Die Forscher um David Smith von der Duke University in Durham und John Pendry vom Imperial College in London haben untersucht, wie sich auf rauhen Metalloberflächen das elektromagnetische Feld der Plasmonen an Unebenheiten der Oberfläche bündelt. Dabei treten „Hotspots“ auf, an denen die Feldintensität sehr groß wird. Diese lokalen Intensitätsspitzen nutzt man z. B. für die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie oder für Effekte der nichtlinearen Optik.

Pendry und seine Kollegen haben berechnet, wie das elektromagnetische Feld einer Plasmaschwingung an einer extremen Oberflächenrauhigkeit verstärkt wird. Dazu nahmen sie an, dass sich über einer Goldunterlage ein 60 nm großes kugelförmiges Nanoteilchen aus Gold in einem Abstand von wenigen Nanometern befindet.

Nach den Berechnungen trat auf der Goldoberfläche unter dem Nanoteilchen ein Hotspot auf. Die berechnete Verstärkung des elektromagnetischen Feldes wurde umso größer, je näher das Teilchen der Oberfläche kam. Für einen Abstand von 0,1 nm ergab sich im Idealfall eine Verstärkung von bis zu 10000. Mit kleiner werdendem Abstand musste man immer langwelligeres Licht nehmen, um den Hotspot zwischen der Kugel und der Oberfläche anzuregen. Die Resonanzwellenlänge der Plasmonen verschob sich also zum Roten hin.

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Abb.: Hotspot: Ein Oberflächenplasmon in der Goldschicht wird durch eine Goldnanokugel lokal erheblich verstärkt, wie die Berechnungen zeigen. (Bild: C. Ciracì et al./Science)

Realistischere Ergebnisse erhielten die Forscher, als sie die Widerstandsverluste im Gold berücksichtigten und zudem annahmen, dass die elektromagnetischen Felder der Plasmonen nicht an den Metalloberflächen lokalisiert sind, sondern Bruchteile eines Nanometers in die Nanokugel und die Goldschicht eindringen. Diese Nichtlokalität führte dazu, dass die Feldverstärkung am Hotspot auf etwa 1000 beschränkt war. Überraschenderweise spielten die Widerstandverluste dabei nur eine untergeordnete Rolle.

Smith und seine Mitarbeiter haben diese Vorhersagen experimentell überprüft. Dazu überzogen sie eine Goldunterlage mit einer Monolage von organischen Molekülen bekannter Länge von 0,5 bis 2 Nanometer, die senkrecht auf der Goldoberfläche standen. Auf diese dielektrische Schicht setzten sie ca. 60 Nanometer große Goldkugeln.

Für unterschiedliche Schichtdicken maßen sie die Resonanzwellenlänge, bei der das Licht die plasmonischen Hotspots besonders gut anregte und entsprechend stark gestreut wurde. Es ergab sich recht genau die von Pendry und seinen Kollegen berechnete Abhängigkeit der Resonanzwellenlänge von der Distanz zwischen Kugel und Unterlage – vorausgesetzt man nahm an, dass die Felder nichtlokal waren. Die recht schwierige Messung der Feldverstärkung im Hotspot und der Vergleich mit den Berechnungen stehen noch aus.

Dennoch sind die Forscher sicher, dass sie eine obere Schranke für die maximale plasmonische Feldverstärkung hergeleitet haben, die in erster Linie auf nichtlokalen Effekten basiert.

Rainer Scharf

DE

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