Plasmonen als Lichttransporter: Nanooptik

DOI: 10.1002/piuz.200601102
Nanooptik
Plasmonen als Lichttransporter
FRANZ AUSSENEGG | HARALD DITLBACHER
Metallische Nanopartikel, Nanodrähte oder Filme können
Licht in Oberflächen-Plasmonen einfangen und transportieren.
Dieses Phänomen spielt sich im optischen Nahfeld und
im Subwellenlängenbereich ab. Solche Nanostrukturen könnten
zu wichtigen Elementen einer zukünftigen Nanooptik
werden.
INTERNET
|
Erwin-Schrödinger-Institut für Nanostrukturforschung
nanooptics.uni-graz.at
Es gibt fast keine Sparte der Naturwissenschaften, in die
nicht schon die Vorsilbe Nano (griech. Zwerg) Einzug
gehalten hat. Das gilt auch für die Optik: Nanooptik und Nanophotonik
sind bereits gängige Begriffe. Die Strukturen,
um die es dort geht, liegen in Dimensionen zwischen zehn
und hundert Nanometern. Sie sind also kleiner als die Wellenlängen
des sichtbaren Lichts. Ist mit so kleinen Objekten
überhaupt noch „Optik“ möglich?
Eines ist klar: Die Methoden der herkömmlichen Optik,
bei denen sich Lichtfelder im Prinzip frei im Raum ausbreiten
und nur von Spiegeln, Linsen, Prismen etc. beeinflusst
werden, sind nicht mehr anwendbar. Das verhindert
das Abbe-Limit im Subwellenlängenbereich. Trotzdem kann
man eine optische Technologie im Nanometerbereich realisieren.
Dazu muss man die Lichtfelder an materielle Strukturen
koppeln. Noch fehlen weitgehend die richtigen Methoden
für eine solche Nanooptik. Die Physiker stehen
heute vor der Herausforderung, diese zu finden oder zu
erfinden. Besonders interessant sind dabei Nanostrukturen,
die Lichtfelder nicht nur führen, sondern im Prinzip auch
schalten, verstärken oder anders beeinflussen können. Interessante
Kandidaten hierfür sind metallische Nanostrukturen,
wie sie seit über zehn Jahren ein zentrales Forschungsthema
unserer Gruppe sind [1].
Spielfeld optisches Nahfeld
Die geometrischen Abmessungen der Nanostrukturen, die
wir hier vorstellen, sind kleiner als die Lichtwellenlänge.
Deshalb ist die mit diesen Strukturen verknüpfte optische
Information ausschließlich in dem optischen Nahfeld enthalten,
das nahe an den Oberflächen
auftritt. Das optische Fernfeld, das
merklich weiter entfernt als die halbe
Lichtwellenlänge von der Oberfläche
beginnt,enthält diese Information nicht
mehr. Das Abbe-Limit begrenzt die Auflösung
des optischen Fernfelds (Physik
in unserer Zeit 2005, 36(1), 41).
Metallische Nanostrukturen besitzen besonders starke
optische Nahfelder. Allein schon aus diesem Grund ist das
Konzept sehr interessant, Lichtfelder im Subwellenlängenbereich
mit metallischen Strukturen zu manipulieren. Die
Forschung auf diesem Gebiet begann mit der Frage, ob es
möglich sei, eine Subwellenlängen-Lichttechnologie durch
Herunterskalieren der aus der Hochfrequenztechnik bekannten
Methodik um etwa sechs Größenordnungen zu realisieren.
Ist es also zum Beispiel – ganz analog zu einem
hochfrequenten elektrischen Strom – möglich, Licht in einem
entsprechend dünnen Metalldraht zu leiten?
Dieser zunächst naheliegende Denkansatz erwies sich
jedoch als zu simpel. Bei den Frequenzen sichtbaren Lichts
– und bis ins nahe Infrarote hinein – können nämlich in nanoskaligen
Metallstrukturen Phänomene auftreten, die in
der herkömmlichen Hochfrequenztechnik völlig unbekannt
sind. Das gilt für Partikel, Drähte und andere Nanostrukturen.
In ihnen regt das lichtelektrische Feld Resonanzen an,
die von kollektiven Oszillationen der Leitungselektronen
verursacht werden (siehe auch Physik in unserer Zeit 2005,
36 (3), 11).
Dieses Resonanzphänomen ist allerdings kein grundsätzliches
Hindernis, um eine Nanooptik zu realisieren, die auf
metallischen Nanostrukturen beruht. Das gilt genauso für
die geringe elektrische Leitfähigkeit von Metallen bei Lichtfrequenzen.
Forscher müssen beide Fakten berücksichtigen,das
kann jedoch durchaus im positiven Sinne sein. Gerade
die Resonanz der kollektiven Elektronenoszillationen
lässt sich zum Beispiel nutzen, um die Intensität der optischen
Nahfelder in einem wünschenswerten Maß zu erhöhen.
Metallpartikel als nanooptische Bausteine
Die Resonanz in der kollektiven Schwingung von quasifreien
Leitungselektronen, wie sie typisch für Metalle sind,
nennt man auch „plasmonische Resonanz“. Ihre Wirkung
wollen wir nun an den einfachsten nanooptischen Strukturen
als Modellfall veranschaulichen, nämlich an metallischen
Nanopartikeln. Die Kenntnis dieser kollektiven Elektronen-Oszillationen
bei Lichtfrequenzen ist eine wichtige
Grundlage,um komplexere metallische Nanostrukturen verstehen
und entwickeln zu können. Metallische Nanopartikel
sind jedoch auch für sich genommen äußerst interessante
nanooptische Bausteine. Die plasmonischen Resonanzen
verleihen ihnen ungewöhnliche optische Eigenschaften,die
auf mannigfaltige Art und Weise technologisch
genutzt werden können.
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Die Resonanz dieser Partikelplasmonen lässt sich mit
einem einfachen, quasi-statischen Modell sehr gut beschreiben.
Das ist möglich, weil alle Abmessungen der Partikel
unterhalb der Lichtwellenlänge liegen. Deshalb kann
man Laufzeiteffekte außer Acht lassen. Bringt man ein solches
metallisches Partikel in ein lichtelektrisches Feld, so
verschiebt dieses Elektronen im positiv geladenen Hintergrund
des Kristallgitters. Allerdings verhindern die geringen
Abmessungen des Partikels,dass diese Ladungen so frei verschiebbar
sind wie in einem makroskopischen Metallkörper.
An den Partikeloberflächen, die senkrecht zur Elektronenbewegung
orientiert sind,stauen sich die Ladungen auf. Dadurch
laden sich die Oberflächen elektrisch auf, was die
nachströmenden Elektronen abstößt.
Diese repulsiven Kräfte tragen dazu bei, dass die gesamte
Elektronenwolke – also das Kollektiv der Leitungselektronen
– des Metallpartikels zu einem schwingungsfähigen
System wird. Je nach Geometrie des Partikels besitzt
es eine oder mehrere Eigenfrequenzen. Hat das Lichtfeld die
dazu passende Frequenz, dann treibt es alle Leitungselektronen
resonant zu einer kohärenten Oszillation an. Nun
fließt im metallischen Nanopartikel ein Strom, der mit der
Lichtfrequenz oszilliert. Diese Resonanz der Partikelplasmonen
hat zwei Konsequenzen, deren Ursachen wir gleich
diskutieren. Eine ist eine schmalbandige Lichtabsorption,
die dem Verlauf einer Resonanzkurve entspricht. Die andere
Folge ist eine spektral ganz analog verlaufende Lichtstreuung
ins Fernfeld.
Um das Partikel herum entsteht ein verstärktes lokales
Lichtfeld, dessen spektraler Intensitätsverlauf ebenfalls der
Plasmonen-Resonanzkurve entspricht. Die räumliche Ausdehnung
dieses Nahfeldes ist vergleichbar mit der Partikelabmessung,
liegt also typischerweise zwischen 10 und 100
nm (Abbildung 1). Dabei bestimmt die Dämpfung der Partikelplasmonen
die Bandbreite der Absorption und die Feldverstärkung.
Zu dieser Dämpfung tragen zwei Mechanismen
bei. Einerseits werden die einzelnen Elektronen an
Fehlstellen des Kristallgitters gestreut, also an Korngrenzen
oder Verunreinigungen oder an der Partikeloberfläche. Das
führt zu einem Kohärenzverlust der Elektronen-Oszillation,
der gleichbedeutend mit dem Zerfall (engl. Deexcitation)
des Plasmons ist. Zum anderen stellt die oszillierende Ladung
des Partikels einen Dipol dar: Dieser strahlt die Energie
ins Fernfeld ab (Radiation Damping).
Die spektrale Lage der Resonanzfrequenz der Partikelplasmonen
hängt von verschiedenen Parametern ab: von
den optischen Eigenschaften des Metalls, repräsentiert
durch die komplexe dielektrische Funktion, der dielektrischen
Funktion des umgebenden Mediums, aber auch von
der Partikelform oder dem Abstand zu Nachbarpartikeln.
Die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von der Partikelform
und vom Abstand zu einem Nachbarpartikel hat eine
große praktische Bedeutung, weil diese Parameter durch
ein geschicktes Nanoengineering beeinflussbar sind. Bei
den Edelmetallen Silber und Gold, die wegen ihrer hohen
Leitfähigkeit, ihrer chemischen Stabilität (Gold) und ihrer
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ABB. 1 NAHFELD UM NANOPARTIKEL
Metallisches Nanopartikel im lichtelektrischen Feld. Die roten
Punkte sind die oszillierenden Elektronen, der gelbliche
„Schein“ um das Partikel zeichnet die Intensität des optischen
Nahfeldes nach (hell: hohe Intensität).
PLASMONIK
| NANOPHYSIK
guten Nanostrukturierbarkeit die besten Voraussetzungen
für nanooptische Anwendungen besitzen, liegen die Resonanzfrequenzen
im sichtbaren und im nahen infraroten
Spektralbereich.
Abbildung 2 zeigt am Beispiel von Silber schematisch
die Abhängigkeit der Plasmonen-Resonanz von der Form
solcher Partikel. Die Stärke der Absorption ist normiert dargestellt,
Halbwertsbreite und Kurvenform entsprechen realen
Messungen. Beschreibt man die geometrische Form eines
Partikels als Ellipsoid,dann bestimmt das Verhältnis der
Achsenlängen eines Partikelquerschnitts die Lage der Plasmonen-Resonanz
im Spektrum. Ausgehend von der Kugelform
verschiebt sich die Resonanzfrequenz für abgeflachte
(oblate) oder gestreckte (prolate) Partikel mit zunehmendem
Unterschied der Querschnittsachsen mehr und mehr
ins Rote (Abbildung 2). Besitzt ein Partikel für unterschiedliche
Querschnittsrichtungen ein unterschiedliches
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ABB. 2 FORM UND LICHTABSORPTION
LichtabsorptionsspektrenmetallischerNanopartikel
(Silber) als
Folge der plasmonischenResonanz.
Wie oben
angedeutet,
variiert die Form
der Partikel von
kugelförmig
(links) bis gestreckt
(rechts).
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Achsenverhältnis, so weist es auch mehrere plasmonische
Resonanzen auf.
Herstellung und Anwendungen
Ein universelles Werkzeug zur kontrollierten Herstellung
spezifischer Partikelformen ist die Elektronenstrahl-Lithographie.
Diese Technik erlaubt es,Metallpartikel definierter
Geometrie mit kleinsten Strukturgrößen ab etwa 20 nm
zu erzeugen, und zwar in praktisch jeder beliebigen zweidimensionalen
Anordnung. So lassen sich auf diese Art Nanopartikelfilme,zweidimensionale
Anordnungen von Nanopartikeln
auf einem transparenten Substrat, mit maßgeschneiderten
optischen Eigenschaften herstellen. Diese
optischen Eigenschaften entsprechen qualitativ den Vorhersagen
des quasistatischen Modells der Plasmonen-Resonanz.
Der spektrale Verlauf des vom Partikel absorbierten
oder von ihm gestreuten Lichtes bestätigt die Ergebnisse
der Modellrechnung bestens. Das gilt auch für die Nahfeldparameter,
die sich mit einem optischen Rasternahfeldmikroskop
bestimmen lassen.
Die Möglichkeit, Metallpartikel mit maßgeschneiderten
Absorptionseigenschaften im sichtbaren Spektralbereich
herzustellen, ist bereits für die etablierte optische Standardtechnologie
interessant. So lassen sich Nanopartikelfilme
als ultradünne Absorptions- oder Polarisationsfilter verwenden,
etwa um einzelne Dioden eines Fotodiodenarrays
damit zu beschichten. Dabei ermöglichen es die Elektronenstrahl-Lithographie
oder moderne Nanodrucktechniken,
die Partikel auf wenige Nanometer genau zu positionieren.
Eine weitere denkbare Anwendung von metallischen
Nanopartikeln ist die Kapazitätserhöhung optischer Datenspeicher
[2]. Bei den heutigen CDs oder DVDs werden die
gespeicherten Daten fernfeldoptisch ausgelesen. Dabei entspricht
die Abmessung der kleinstmöglichen Speichereinheit
der lateralen, fernfeldoptischen Auflösung. Das ist etwa
die halbe Wellenlänge. Innerhalb dieser Fläche für ein
herkömmliches Bit lässt sich jedoch mühelos eine ganze
Gruppe individuell geformter,metallischer Nanopartikel unterbringen.
Form und Orientierung der Partikel bestimmen
dann das Streulichtspektrum der Gruppe. Diese spektrale
Kodierung würde die Speicherkapazität einer konventionellen
CD vervielfachen, zum Auslesen bräuchte man nur
mehrere Laser unterschiedlicher Wellenlängen.
Ein anderes Anwendungsgebiet wäre die Verstärkung
der Fluoreszenz von Molekülen, etwa in der optischen Sensorik.
Durch die elektromagnetische Kopplung angeregter
Moleküle mit Partikelplasmonen lässt sich nämlich die Intensität
und Dynamik der Wechselwirkung zwischen Molekül
und Lichtfeld entscheidend beeinflussen. So kann man
zum Beispiel die Emissionsrate fluoreszierender Moleküle
um mehrere Größenordnungen steigern. Dieser Effekt ist
vor allem für die optische Sensorik relevant.
Aus elektrodynamischer Sicht besitzt ein angeregtes,fluoreszierendes
Molekül nur ein äußerst geringes Abstrahlungsvermögen.
Klassisch betrachtet, oszilliert der moleku-
lare Dipol während der üblichen Emissionsdauer von einigen
Nanosekunden etwa eine Million Mal. Pro Schwingung
strahlt er also nur einen ganz geringen Bruchteil der molekularen
Anregungsenergie in das Fernfeld ab. Die Ursache
liegt in der geringen Größe des molekularen Dipols, die
weit unterhalb der halben Wellenlänge des emittierten Lichtes
liegt – das wäre die für eine optimale Abstrahlung erforderliche
Dipolabmessung. Der Löwenanteil der
elektromagnetischen Energie befindet sich im dipolaren
Nahfeld. Die Stärke dieses Nahfeldes ist proportional 1/R 3 ,
R ist der Abstand in zur Dipolachse senkrechter Richtung.
Deshalb ist das Nahfeld in einer Entfernung von λ/20 (λ ist
die Lichtwellenlänge) von der Dipolachse tausendmal
größer als im Grenzbereich zum abstrahlenden Fernfeld im
Abstand von λ/2.
In diesen Bereich des intensiven molekularen Nahfeldes
kann man ein metallisches Nanopartikel bringen, dessen
Plasmonen-Resonanz mit der Emissionsfrequenz des Moleküls
übereinstimmt. Das führt zu einer starken elektromagnetischen
Kopplung, die die molekulare Anregungsenergie
sehr effizient in die plasmonische Anregung des
Metallpartikels überträgt (Abbildung 3). Weil das Metallpartikel
wesentlich größer als der molekulare Dipol ist,kann
es dessen Anregungsenergie auch wesentlich effizienter ins
Fernfeld abstrahlen. Sein Plasmon schafft das auch in einigen
zehn Femtosekunden anstatt einiger Nanosekunden,
die das Molekül braucht. Das metallische Nanopartikel wirkt
also als eine Art Hilfsantenne. Es steigert die Fluoreszenzrate
des angeregten Moleküls dramatisch. Unsere Hilfsantenne
hat somit den positiven Effekt, dass sie die oft sehr
schlechte Quantenausbeute fluoreszierender Biomoleküle
erheblich steigert.
|
ABB. 3 HILFSANTENNE FÜR FLUORESZENZ
Das optische Nahfeld eines fluoreszierenden Moleküls regt
die Plasma-Oszillation in einem benachbarten metallischen
Nanopartikel an. Das Partikel strahlt die vom Molekül
übernommene Energie sehr effizient in das Fernfeld ab.
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ABB. 4 FLUORESZENZSENSOR
Die metallischen Nanopartikel verstärken kräftig die
Fluoreszenzintensität der Analyt-Moleküle, die in ihrer
Nachbarschaft durch die gewünschte Schlüssel-Schloss-
Reaktion gebunden sind.
Abbildung 4 zeigt einen von uns entwickelten Biomoleküldetektor
als Anwendungsbeispiel. Die zu detektierenden
Biomoleküle (Analyt) befinden sich in einer wässrigen
Lösung. Zum Nachweis sind sie mit einem Fluorophor versehen,
der systembedingt nur eine schlechte Quantenausbeute
besitzt. Die Biomoleküle werden durch eine spezifische
Schlüssel-Schloss-Reaktion mit so genannten Capture-
|
ABB. 5 NICHTLOKALES OBERFLÄCHEN-PLASMON
Ein lokales lichtelektrisches Feld, dessen räumliche Ausdehnung
unterhalb der halben Plasmonen-Wellenlänge liegt,
regt in einem Metallfilm eine Plasma-Oszillation an. Sie
breitet sich als Plasmon aus und erzeugt im angrenzenden
dielektrischen Medium ein optisches Nahfeld. Dessen Intensität
nimmt senkrecht zur Oberfläche rasch ab (Reichweite
< λλ/2). Eine Abstrahlung ins Fernfeld ist nicht möglich.
PLASMONIK
| NANOPHYSIK
Molekülen an eine Glasoberfläche gebunden. An der Unterseite
wird ein Laserstrahl totalreflektiert. Sein evaneszentes
Lichtfeld regt die Fluoreszenz der Moleküle nur direkt
oberhalb dieser Oberfläche an. Somit ist die detektierte
Fluoreszenzintensität ein Maß für die Anzahl der gebundenen
Moleküle. Metallische Nanopartikel verstärken die Fluoreszenzintensität
als Hilfsantennen und erhöhen die Nachweisempfindlichkeit
des Moleküldetektors entscheidend.
Lichttransport in Nanodrähten
Die metallischen Nanopartikel zeigen, dass solche Strukturen
die Rolle von submikrometerkleinen (100 nm) und ultraschnellen
(10 fs) Bauelementen zur Lichtfeldmanipulation
übernehmen können. Kehren wir nun aber zur ursprünglichen
Frage nach nanoskopischen Strukturen zurück, die
optische Signale weiterleiten sollen. Metallische Nanodrähte
könnten zumindest zur Überbrückung kurzer Distanzen geeignet
sein. Welche physikalischen Mechanismen machen
dies möglich?
Stellen wir uns vor,wir erzeugen durch ein lokales lichtelektrisches
Feld, das parallel zur Drahtachse gerichtet ist,
eine oszillierende Ladungstrennung (Abbildung 5). Im Unterschied
zu metallischen Partikeln bewirkt die Aufladung
der sehr weit auseinander liegenden Endflächen des Drahtes
praktisch keine rücktreibenden Kräfte und damit keine
partikelplasmonischen Resonanzen. Es zeigt sich aber, dass
sich der Zustand der lokalen Ladungstrennung parallel zur
Drahtachse ausbreitet. Er tut dies in Form eines nichtlokalen
Oberflächen-Plasmons. Ein solches Oberflächen-Plasmon
besteht aus kohärent oszillierenden Elektronen im Metall
und einem optischen Nahfeld, das an diese Elektronen
|
ABB. 6 GLOBALE ANREGUNG
Der metallische Film befindet sich auf einem dielektrischen
Medium (zum Beispiel Glas). Dieses kann mit einer hinreichend
hohen Brechzahl die Wellenlänge des anregenden
Lichtes so weit reduzieren, dass seine Phase perfekt zu der
des Plasmons im Film passt. Dann koppeln Licht und Plasmon
sehr effizient. Die Komponente k|| des Lichtwellenvektors
muss dabei kPlasmon entsprechen.
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Abb. 7 PlasmonischerLichttransport
in einem
Nanodraht aus
Gold. Im Bereich A
regt Licht global
Plasmonen an
(λλ = 800 nm),
Abschnitt B wird
davon durch einen
50 nm dicken
Aluminiumfilm
abgeschirmt. Die
Faserspitze eines
optischen Rasternahfeldmikroskops
detektiert
das im Nanodraht
wandernde
Plasmon.
gebunden ist. Es kann also als ein hybrider Zustand verstanden
werden. Dieses „Lichtplasmon“ breitet sich mit einer
bestimmten Gruppengeschwindigkeit entlang der
Drahtachse aus. Es kann deshalb optische Energie – also im
weitesten Sinne Licht – transportieren.
Die Phasengeschwindigkeit des Plasmons hängt von den
dielektrischen Parametern des Metalls und der Umgebung
ab, außerdem vom Durchmesser des Drahtes. Sie beträgt
typischerweise das 0,5- bis 0,9-fache der Vakuumlichtgeschwindigkeit.
Entsprechend kleiner ist auch die Wellenlänge
des propagierenden Plasmons. Dieser Umstand führt
dazu,dass ein sich ausbreitendes Plasmon Lichtenergie mitführt,
diese aber nicht in das benachbarte Medium abstrahlen
kann. Die Phasenlagen im Nahfeld führen unter
keinem Abstrahlwinkel zu einer konstruktiven Interferenz,
die eine Abstrahlung ins Fernfeld ermöglicht. Lediglich an
strukturellen Störstellen des Drahtes – also auch an seinen
Enden – kann das Plasmon seine Energie ins optische Fernfeld
auskoppeln. Das gilt natürlich auch umgekehrt für das
Einkoppeln.
Das Oberflächen-Plasmon lässt sich auch nur an Drahtenden
oder Störstellen mit einem „makroskopischen“
Lichtfeld anregen, etwa einem fokussierten Laserstrahl. Als
Störstelle kann zum Beispiel ein Nanopartikel auf der
Drahtoberfläche deponiert werden. Der Einkoppelwirkungsgrad
ist dabei nicht besonders groß. Wesentlich effizienter
ist folgender Trick. Man legt den Nanodraht auf die
Oberfläche eines dielektrischen Mediums mit einer passend
hohen Brechzahl und strahlt durch dieses das Anregungslicht
ein (Abbildung 6). In diesem Medium hat das Licht eine
verringerte Phasengeschwindigkeit und eine kleinere
Wellenlänge, was eine Phasenanpassung
an das Plasmon ermöglicht.
Dies geht sehr exakt
über die Einstellung des
Lichteinfallswinkels.
Die Phase ist angepasst,
wenn die
Komponente des
Wellenzahlvektors
(k-Vektor) des
Lichtes parallel zur
Drahtachse dem k-
Vektor des Plasmons
entspricht. Das ermöglicht
eine großflächige
– globale – Anregung,
die über viele Wellenberge
und -täler hinweg reicht.
Deshalb wird das Licht, das den Nanodraht
erreicht, nahezu hundertprozentig
eingekoppelt.
All diese Probleme des Interfacings zwischen
klassischer Optik und Nanooptik
ließen sich vermeiden,wenn von Haus aus
nanoskopische Lichtquellen und Detekto-
ren verfügbar wären. Faserspitzen eines optischen Rasternahfeldmikroskops
kämen dafür in Frage,sind aber sehr unhandlich.
Wesentlich eleganter wären nano-optoelektronische
Elemente in Form nanoskopischer Leuchtdioden und
Detektoren. Solche Bauteile ließen sich auch technologisch
gut mit metallischen Nanodrähten integrieren. Leider ist
dies heute noch Zukunftsmusik, aber es wird Erfolg versprechend
daran gearbeitet – auch bei uns.
Wir haben experimentell zeigen können, dass ein metallischer
Nanodraht tatsächlich Licht transportieren kann
(Abbildung 7, [3]). Dazu verwendeten wir einen mit 3 μm
relativ breiten Goldstreifen von 50 nm Dicke. Die globale
Anregung mit Laserlicht einer Wellenlänge von 800 nm erzeugt
darin ein Oberflächen-Plasmon. Durch eine trichterförmige
Verjüngung koppelt es in einen 200 nm breiten
und 50 nm dicken Draht ein. Dort detektierten wir es mit
der Faserspitze eines optischen Rasternahfeldmikroskops.
Damit auf keinen Fall Anregungslicht direkt zur Detektorspitze
gelangen kann, wird der Detektionsbereich B mit einer
Aluminiumschicht dagegen abgeschirmt.
Wir konnten feststellen, dass die Nahfeldintensität entlang
des Drahtes exponentiell abnimmt. Nach 2,5 µm ist sie
auf das 1/e-Fache des anfänglichen Wertes gesunken, die
„Ausbreitungslänge“ des Plasmons. Das entspricht der Erwartung
aus der Theorie. Das Intensitätsprofil senkrecht zur
Drahtachse hat eine Halbwertsbreite von nur 115 nm, also
einem Siebtel der verwendeten Wellenlänge von 800 nm.
Außerdem wird nur ein sehr kleiner Teil der optischen Energie
durch evaneszente Felder im Nachbarmedium transportiert.
Weitere Experimente haben gezeigt, dass es praktisch
kein Übersprechen (Energietransfer) von einem lichtleitenden
Nanodraht auf einen zweiten Draht gibt, wenn
dieser mindestens 300 nm entfernt parallel verläuft. All das
illustriert, dass ein Lichttransport jenseits des Abbe-Limits
möglich ist.
Die gemessene Ausbreitungslänge für das lichttransportierende
Plasmon von 2,5 μm ist natürlich nicht sehr
groß. Sie ist von der Dämpfung der Elektronenoszillation im
Metall und von der Elektronenstreuung an den Grenzflächen
und Störstellen des Nanodrahtes abhängig. Die bisher
vorgestellten Nanodrähte wurden durch Vakuumaufdampfen
des Metalls auf eine lithographisch erzeugte Maske
hergestellt. Sie besitzen eine nanokristalline Struktur mit
einer typischen Korngröße von einigen 10 nm. Vor kurzem
ist es mit einem nasschemischen Verfahren gelungen, einkristalline
Silberdrähte mit etwa 100 nm Durchmesser und
mehr als 20 μm Länge herzustellen. In diesen Drähten erhöht
sich bei einer Anregungswellenlänge von 785 nm die
Ausbreitungslänge auf mehr als 10 μm [4].
Abbildung 8 zeigt eine mikroskopische Aufnahme eines
18,6 μm langen einkristallinen Nanodrahtes. Der helle Fleck
links in Abbildung 8b stammt von der Anregung durch fokussiertes
Laserlicht an einem Drahtende. Am anderen Ende
des Drahtes erzeugt das dort ausgekoppelte Licht einen
kleineren Fleck, was den plasmonischen Lichttransport
durch den Draht beweist. Abbildung 8c zeigt eine raster-
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nahfeldmikroskopische Aufnahme des Drahtendes mit dem
ausgekoppelten Licht. Die deutlich sichtbare Modulation
der Nahfeldintensität entsteht durch die Interferenz des
ankommenden Plasmons mit dem Plasmon, das am Drahtende
reflektiert wird.
Die Transportlängen für Licht in metallischen Nanodrähten
sind nicht besonders groß. Trotzdem könnte diese
Art des Lichttransports durchaus praktische Bedeutung gewinnen,
insbesondere für den breitbandigen Datentransfer
innerhalb eines hochintegrierten optoelektronischen Chips.
Sehr positiv ist auch zu sehen,dass die Dämpfung von Oberflächen-Plasmonen
in Gold und Silber mit steigender Wellenlänge
stark abnimmt. Das ist besonders interessant, weil
die in der Telekommunikation verwendeten Wellenlängen
im Nahinfraroten liegen.
Plasmonenoptik in Metallfilmen
Oberflächen-Plasmonen können mit den diskutierten Methoden
auch in Metallfilmen angeregt werden, die in zwei
Dimensionen „unbegrenzt“ sind. Sie wandern dann über
diese Fläche, wie das die bekannten Gesetze der Wellenausbreitung
beschreiben. Als Störstelle zum Einkoppeln
kann man zum Beispiel einen Steg auf den Metallfilm aufbringen.
Regt kohärentes Laserlicht darüber ein Plasmon
an, dann breitet es sich senkrecht zum Steg nach beiden
Seiten in gut gebündelter Form aus (Abbildung 9a).
Über Form und Anordnung der nanoskaligen Störstrukturen
auf dem Metallfilm lässt sich das Ausbreitungsverhalten
des Plasmons breit variieren. Gitterartige Anordnungen
aus nanometrischen Metallpartikeln zum Beispiel
können als Bragg-Reflektor für das Plasmon wirken und dessen
Ausbreitungsrichtung ändern (Abbildung 9b). Eine Kette
von Störpartikeln kann dagegen als plasmonischer Strahlteiler
wirken. Das Strahlteilerverhältnis lässt sich dabei über
die Partikelgeometrie und besonders den Partikelabstand
einstellen (Abbildung 9c). Abbildung 9d zeigt schließlich
ein aus Bragg-Reflektoren und Strahlteiler aufgebautes Plasmonen-Interferometer.
Die beiden am Strahlteiler überlagerten
Plasmonenzweige interferieren entweder in Richtung
Links oder Rechts konstruktiv, je nach Gangunterschied
ihrer durchlaufenen Wege. Bestimmend ist dabei der
Unterschied ihrer „optischen“ Weglänge. Steuern kann man
diese zum Beispiel durch Ändern der Brechzahl des angrenzenden
dielektrischen Mediums.
Grundsätzlich lassen sich auf die beschriebene Art alle
aus der Optik bekannten funktionalen Schritte auch mit
Oberflächen-Plasmonen durchführen. So können Plasmonen
durch gekrümmte Reflektoren fokussiert werden. Die
spektrale Selektion von Plasmonen unterschiedlicher Wellenlänge
ist durch geeignete „Störstrukturen“ möglich. Es
lässt sich also eine an die Metalloberfläche gebundene,zweidimensionale
plasmonische Optik realisieren. Die Ausbreitungslänge
dieser 2D-Oberflächen-Plasmonen ist merklich
größer als von Plasmonen in Nanodrähten. Bei rotem Anregungslicht
beträgt sie für nanokristalline Gold- oder Silberschichten
immerhin etwa 50 bis 100 μm. Das technische
PLASMONIK
| NANOPHYSIK
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ABB. 8 LICHTTRANSPORT IM EINKRISTALLINEN NANODRAHT
Potential für diese zweidimensionale Plasmonenoptik liegt
wieder in der Anwendung in hochintegrierten optoelektronischen
Chips.
Ausblick
Mit den vorgestellten Experimenten zeigen wir, dass eine
optische Subwellenlängen-Lichttechnologie es erfordert,die
Wege der herkömmlichen (Fernfeld-)Optik zu verlassen. Die
Nanooptik stellt ihre Entwickler vor neue physikalische Herausforderungen.
Sie müssen als tragende Elemente für diese
prinzipiell andersartige Lichttechnologie Phänomene
nutzbar machen, die bisher in der Optik gar nicht oder nur
untergeordnet eingesetzt wurden. Wir haben gezeigt, dass
sich dazu plasmonische Effekte in metallischen Nanostrukturen
sehr gut gebrauchen lassen.
Die eingangs gestellte Frage, ob auf diese Technologie
die Bezeichnung „Optik“ überhaupt passt, können wir allerdings
nicht eindeutig beantworten. Einerseits nutzt sie
den optischen Spektralbereich. Andererseits ist bei ihr das
grundlegende physikalische Phänomen nicht mehr ein freies
lichtelektrisches Feld, wie in der herkömmlichen Optik.
Es ist ein hybrider optoelektronischer Anregungszustand
von Licht und oszillierenden Leitungselektronen. Deshalb
etabliert sich zunehmend der Begriff Plasmonik (engl. Plasmonics)
für diese Art von Nanooptik.
20 μm
Plasmonischer Lichttransport in einem einkristallinen Nanodraht aus Silber.
a) Fokussiertes Laserlicht (λλ = 785 nm) regt am Einkoppel-Ende (E) ein Plasmon an.
b) Mikroskopische Aufnahme eines 18,6 μμm langen Drahtes. Der kleine Fleck am
Auskoppelende (Pfeil) bestätigt den Lichttransport. c) Rasternahfeldmikroskopische
Aufnahme des Auskoppelendes. Der am Drahtende reflektierte Plasmonenanteil
interferiert mit dem ankommenden Plasmon.
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ABB. 9 OBERFLÄCHEN-PLASMONEN IN METALLFILMEN
Links: Elektronenmikroskopische Aufnahmen der etwa 70 nm hohen „Störstrukturen“
aus Silber auf Silberfilm. Rechts: Plasmonisches Nahfeld, angezeigt durch die
Fluoreszenz von Molekülen im Nahfeldbereich. Anregungslicht: λλ = 750 nm [5].
a) Plasmonenanregung durch einen 160 nm breiten Einkoppelsteg. b) Reflexion
durch einen Bragg-Reflektor, Partikeldurchmesser 140 nm. c) Plasmonischer
Strahlteiler. d) Plasmonisches Interferometer.
Oberflächen-Plasmonen in Metallstreifen haben schon
in einem kommerziell erhältlichen Produkt Einzug gefunden.
Sie bilden ein lichtleitendes Element im Quantenkaskadenlaser.
Doch das ist nur ein erster Schritt in zukünftige
Anwendungen. Wir sind überzeugt, dass noch viele weitere
folgen werden.
Zusammenfassung
Metallische Nanopartikel, Nanodrähte oder Filme können
Licht in Oberflächen-Plasmonen einfangen. Dieses Phänomen
spielt sich im optischen Nahfeld und im Subwellenlängenbereich
ab. Dabei entsteht ein hybrider, optoelektronischer Anregungszustand
aus Licht und oszillierenden Leitungselektronen.
Metallische Nanopartikel können zum Beispiel als
„Hilfsantennen“ die Fluoreszenz von Biomolekülen erheblich
verstärken. Das ist für Fluoreszenzsensoren interessant. Experimente
zeigen, dass metallische Nanodrähte in Oberflächen-Plasmonen
Licht transportieren können. Auf zweidimensionalen,
strukturierten Metallfilmen wurden Bauelemente
bis hin zum Interferometer für Plasmonen erfolgreich
demonstriert. Das junge Feld der Plasmonik könnte wichtige
Beiträge zu einer zukünftigen Nanooptik liefern.
Stichworte
Nanooptik,Plasmonik,Oberflächen-Plasmon,optisches Nahfeld,
optisches Fernfeld, Abbe-Limit, metallische Nanopartikel,
Fluoreszenzverstärkung, Lichtleitung in metallischen
Nanodrähten, plasmonischer Strahlteiler, plasmonischer
Bragg-Reflektor, plasmonisches Interferometer.
Literatur
[1] J. R. Krenn, F. R. Aussenegg, Physik Journal 2002, 3, 39.
[2] H. Ditlbacher et al., Optics Letters, 2000, 25, 563.
[3] J. R. Krenn et al., Europhys.Lett. 2002, 60, 663.
[4] H. Ditlbacher et al., Phys. Rev. Lett. 2005, 95, 257403.
[5] H. Ditlbacher et al., Appl. Phys. Lett. 2002, 84, 1762.
Die Autoren Franz Aussenegg studierte in Graz Physik, promovierte
1963 und habilitierte sich 1971. Seit 1975
Professor für Experimentalphysik an der Karl-
Franzens Universität Graz, seit 1990 Leiter des
Erwin-Schrödinger-Institut für Nanostrukturforschung.
Harald Ditlbacher, geboren 1971, studierte Physik
an der Karl-Franzens Universität Graz, Promotion
2003, seither dort wissenschaftlicher Angestellter.
Entwickelt nanooptische Konzepte für technische
Anwendungen.
Anschrift:
Prof. Dr. Franz Aussenegg, Institut für Physik,
Karl-Franzens Universität Graz, Universitätsplatz 5,
A-8010 Graz. Franz.Aussenegg@uni-graz.at
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| Phys. Unserer Zeit
| 5/2006 (37) www.phiuz.de © 2006 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim