@phdthesis{Grimm2023,
  author    = {Grimm, Philipp Martin},
  title     = {Locally driven complex plasmonic nanoantenna systems},
  doi       = {10.25972/OPUS-30315},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-303152},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2023},
  abstract  = {Metallic nanostructures possess the ability to support resonances in the visible wavelength regime which are related to localized surface plasmons. These create highly enhanced electric fields in the immediate vicinity of metal surfaces. Nanoparticles with dipolar resonance also radiate efficiently into the far-field and hence serve as antennas for light. Such optical antennas have been explored during the last two decades, however, mainly as standalone units illuminated by external laser beams and more recently as electrically driven point sources, yet merely with basic antenna properties. This work advances the state of the art of locally driven optical antenna systems. As a first instance, the electric driving scheme including inelastic electron tunneling over a nanometer gap is merged with Yagi-Uda theory. The resulting antenna system consists of a suitably wired feed antenna, incorporating a tunnel junction, as well as several nearby parasitic elements whose geometry is optimized using analytical and numerical methods. Experimental evidence of unprecedented directionality of light emission from a nanoantenna is provided. Parallels in the performance between radiofrequency and optical Yagi-Uda arrays are drawn. Secondly, a pair of electrically connected antennas with dissimilar resonances is harnessed as electrodes in an organic light emitting nanodiode prototype. The organic material zinc phthalocyanine, exhibiting asymmetric injection barriers for electrons and holes, in conjunction with the electrode resonances, allows switching and controlling the emitted peak wavelength and directionality as the polarity of the applied voltage is inverted. In a final study, the near-field based transmission-line driving of rod antenna systems is thoroughly explored. Perfect impedance matching, corresponding to zero back-reflection, is achieved when the antenna acts as a generalized coherent perfect absorber at a specific frequency. It thus collects all guided, surface-plasmon mediated input power and transduces it to other nonradiative and radiative dissipation channels. The coherent interplay of losses and interference effects turns out to be of paramount importance for this delicate scenario, which is systematically obtained for various antenna resonances. By means of the here developed semi-analytical toolbox, even more complex nanorod chains, supporting topologically nontrivial localized edge states, are studied. The results presented in this work facilitate the design of complex locally driven antenna systems for optical wireless on-chip communication, subwavelength pixels, and loss-compensated integrated plasmonic nanocircuitry which extends to the realm of topological plasmonics.},
  subject      = {Plasmonik},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Feichtner2017,
  author    = {Feichtner, Thorsten},
  title     = {Optimal Design of Focusing Nanoantennas for Light : Novel Approaches: From Evolution to Mode-Matching},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-140604},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2017},
  abstract  = {Optische Antennen arbeiten {\"a}hnlich wie Antennen f{\"u}r Radiowellen und wandeln elektromagnetische Strahlung in elektrische Wechselstr{\"o}me um. Ladungsdichteansammlungen an der Antennen-Oberfl{\"a}che f{\"u}hren zu starken und lokalisierten Nahfeldern. Da die meisten optischen Antennen eine Ausdehnung von wenigen hundert Nanometern besitzen, erm{\"o}glichen es ihre Nahfelder, Licht auf ein Volumen weit unterhalb des Beugungslimits zu fokussieren, mit Intensit{\"a}ten, die mehrere Gr{\"o}ßenordnungen {\"u}ber dem liegen, was man mit klassischer beugender und reflektierender Optik erreichen kann. Die Aufgabe, die Abstrahlung eines Quantenemitters zu maximieren, eines punktf{\"o}rmigen Objektes, welches einzelne Photonen absorbieren und emittieren kann, ist identisch mit der Aufgabe, die Feldintensit{\"a}t am Ort des Quantenemitters zu maximieren. Darum ist es erstrebenswert, den Fokus optischer Antennen zu optimieren Optimierte Radiofrequenz-Antennen, welche auf Gr{\"o}ßenordnungen von wenigen 100 Nanometern herunterskaliert werden, zeigen bereits eine gute Funktionalit{\"a}t. Jedoch liegen optische Frequenzen in der N{\"a}he der Plasmafrequenz von den Metallen, die f{\"u}r optische Antennen genutzt werden und die Masse der Elektronen kann nicht mehr vernachl{\"a}ssigt werden. Dadurch treten neue physikalische Ph{\"a}nomene auf. Es entstehen gekoppelte Zust{\"a}nde aus Licht und Ladungsdichte-Schwingungen, die sogenannten Plasmonen. Daraus folgen Effekte wie Volumenstr{\"o}me und k{\"u}rzere effektive Wellenl{\"a}ngen. Zus{\"a}tzlich f{\"u}hrt die endliche Leitf{\"a}higkeit zu thermischen Verluste. Das macht eine Antwort auf die Frage nach der optimalen Geometrie f{\"u}r fokussierende optische Antennen schwer. Jedoch stand vor dieser Arbeit der Beweis noch aus, dass es f{\"u}r optische Antennen bessere Alternativen gibt als herunterskalierte Radiofrequenz-Konzepte. In dieser Arbeit werden optische Antennen auf eine bestm{\"o}gliche Fokussierung optimiert. Daf{\"u}r wird ein Ansatz gew{\"a}hlt, welcher bei Radiofrequenz-Antennen f{\"u}r komplexe Anwendungsfelder (z.B. isotroper Breitbandempfang) schon oft Erfolg hatte: evolution{\"a}re Algorithmen. Die hier eingef{\"u}hrte erste Implementierung erlaubt eine große Freiheit in Bezug auf Partikelform und Anzahl, da sie quadratische Voxel auf einem planaren, quadratischen Gitter beliebig anordnet. Die Geometrien werden in einer bin{\"a}ren Matrix codiert, welche als Genom dient und somit Methoden wie Mutation und Paarung als Verbesserungsmechanismus erlaubt. So optimierte Antennen-Geometrien {\"u}bertreffen vergleichbare klassische Dipol-Geometrien um einen Faktor von Zwei. Dar{\"u}ber hinaus l{\"a}sst sich aus den optimierten Antennen ein neues Funktionsprinzip ableiten: ein magnetische Split-Ring-Resonanz kann mit Dipol-Antennen leitend zu neuartigen und effektiveren Split-Ring-Antennen verbunden werden, da sich ihre Str{\"o}me nahe des Fokus konstruktiv {\"u}berlagern. Im n{\"a}chsten Schritt wird der evolution{\"a}re Algorithmus so angepasst, so die Genome real herstellbare Geometrien beschreiben. Zus{\"a}tzlich wird er um eine Art ''Druckertreiber'' erweitert, welcher aus den Genomen direkt Anweisungen zur fokussierten Ionenstrahl-Bearbeitung von einkristallinen Goldflocken erstellt. Mit Hilfe von konfokaler Mikroskopie der Zwei-Photonen-Photolumineszenz wird gezeigt, dass Antennen unterschiedlicher Effizienz reproduzierbar aus dem evolution{\"a}ren Algorithmus heraus hergestellt werden k{\"o}nnen. Außerdem wird das Prinzip der Split-Ring-Antenne verbessert, indem zwei Ring-Resonanzen zu einer Dipol-Resonanz hinzugef{\"u}gt werden. Zu guter Letzt dient die beste Antenne des zweiten evolution{\"a}re Algorithmus als Inspiration f{\"u}r einen neuen Formalismus zur Beschreibung des Leistungs{\"u}bertrages zwischen einer optischen Antenne und einem Punkt-Dipol, welcher sich als "dreidimensionaler Moden{\"u}berlapp" beschreiben l{\"a}sst. Damit k{\"o}nnen erstmals intuitive Regeln f{\"u}r die Form einer optischen Antenne aufgestellt werden. Die G{\"u}ltigkeit der Theorie wird analytisch f{\"u}r den Fall eines Dipols nahe einer metallischen Nano-Kugel gezeigt. Das vollst{\"a}ndige Problem, Licht mittels einer optischen Antenne zu fokussieren, l{\"a}sst sich so auf die Erf{\"u}llung zweier Moden{\"u}berlapp-Bedingungen reduzieren -- mit dem Feld eines Punktdipols, sowie mit einer ebenen Welle. Damit lassen sich zwei Arten idealer Antennenmoden identifizieren, welche sich von der bekannten Dipol-Antennen-Mode grundlegend unterscheiden. Zum einen l{\"a}sst sich dadurch die Funktionalit{\"a}t der evolution{\"a}ren und Split-Ring-Antennen erkl{\"a}ren, zum lassen sich neuartige plasmonische Hohlraum-Antennen entwerfen, welche zu besserer Fokussierung von Licht f{\"u}hren. Dies wird numerisch im direkten Vergleich mit einer klassischen Dipolantennen-Geometrie gezeigt.},
  subject      = {Physik},
  language  = {en}
}