TY  - THES
A1  - Schallenberg, Timo
T1  - Shadow mask assisted heteroepitaxy of compound semiconductor nanostructures
T1  - Schattenmasken-gestützte Heteroepitaxie von Nanostrukturen aus Verbindungshalbleiter
N2  - Shadow Mask assisted Molecular Beam Epitaxy (SMMBE) is a technique enabling selected area epitaxy of semiconductor heterostructures through shadow masks. The objective of this work was the development of the SMMBE technique for the reliable fabrication of compound semiconductor nanostructures of high structural and optical quality. In order to accomplish this, technological processes have been developed and optimized. This, in combination with model calculations of the basic kinetic growth processes has enabled the fabrication of high quality quantum structures. A high spatial precision and control of the incidence regions of the molecular beams during the SMMBE process are required for the fabrication of nanostructures. One of the technological developments to this effect, which has substantially enhanced the versatility of SMMBE, is the introduction of a new type of freestanding shadow masks: Growth through such a mask with different incidence angles of the molecular beams is equivalent to employing different mechanical masks, but is much more accurate since the precision of mechanical alignment is limited. A consistent model has been developed, which successfully explains the growth dynamics of molecular beam epitaxy through shadow masks. The redistribution of molecular fluxes under shadow masks may affect the growth rates on selected areas of the substrate drastically. In the case of compound semiconductors, reactions between the constituent species play important roles in controlling the growth rates as a function of the growth parameters. The predictions of the model regarding the growth of II-VI and III-V compounds have been tested experimentally and the dependence of the growth rates on the growth parameters has been verified. Moreover, it has been shown, that selected area epitaxy of II-VI and III-V compounds are governed by different surface kinetics. Coexisting secondary fluxes of both constituent species and the apparent non-existence of surface diffusion are characteristic for SMMBE of II-VI compounds. In contrast, III-V SMMBE is governed by the interplay between secondary group-V flux and the surface migration of group-III adatoms. In addition to the basic surface kinetic processes described by the model, the roles of orientation and strain-dependent growth dynamics, partial shadow, and material deposition on the mask (closure of apertures) have been discussed. The resulting advanced understanding of the growth dynamics (model and basic experiments) in combination with the implementation of technical improvements has enabled the development and application of a number of different processes for the fabrication of both II-VI and III-V nanostructures. In addition to specific material properties, various other phenomena have been exploited, e.g., self-organization. It has been shown that, e.g., single quantum dots and quantum wires can be reliably grown. Investigations performed on the SMMBE nanostructures have demonstrated the high positional and dimensional precision of the SMMBE technique. Bright cathodoluminescence demonstrates that the resulting quantum structures are of high structural and optical quality. In addition to these results, which demonstrate SMMBE as a prospective nanofabrication technique, the limitations of the method have also been discussed, and various approaches to overcome them have been suggested. Moreover, propositions for the fabrication of complex quantum devices by the multiple application of a stationary shadow mask have been put forward. In addition to selected area growth, the shadow masks can assist in etching, doping, and in situ contact definition in nanoscale selected areas. Due to the high precision and control over the dimensions and positions of the grown structures, which at the same time are of excellent chemical, crystal, and optical quality, SMMBE provides an interesting perspective for the fabrication of complex quantum devices from II-VI and III-V semiconductors.
N2  - Die Schattenmasken-gestützte Molekularstrahlepitaxie (SMMBE) ist eine neue Methode welche die ortsselektive Epitaxie von Halbleiterheterostrukturen mittels stationärer Schattenmasken ermöglicht. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung der SMMBE-Methode für die gezielte Herstellung von Nanostrukturen hoher Güte aus Verbindungshalbleiter. Dazu wurden technologische Prozesse entwickelt und optimiert, Modellrechnungen für die grundlegenden kinetischen Wachstumsprozesse in Schattenmasken entwickelt und darauf aufbauend Quantenstrukturen hergestellt und untersucht. Eine hohe Ortsauflösung und flexible Kontrolle der Einfallsgebiete der Molekularstrahlen während des SMMBE-Wachstums sind notwendige Voraussetzungen für die Herstellung von Nanostrukturen. Einer der technologischen Fortschritte, der zu einer erheblich höheren Flexibilität der SMMBE-Methode führte, ist der Einsatz neuartiger, freistehender Schattenmasken: Die Epitaxie durch solche Masken unter verschiedenen Einfallswinkeln der Molekularstrahlen ist vergleichbar mit der Verwendung mehrerer mechanischer Masken, ermöglicht jedoch eine weit höhere Ortsauflösung und Präzision. Im Rahmen der Arbeit wurde ein konsistentes Modell entwickelt, welches die grundlegenden kinetischen Wachstumsprozesse unter der Schattenmaske beschreibt. Adsorbierte Atome und Moleküle werden durch Diffusion und Desorption innerhalb der Maskenkavität umverteilt, wodurch sich die lokalen Wachstumsraten drastisch ändern können. Beim Wachstum von Verbindungshalbleiter spielen die Reaktionen zwischen den einzelnen Konstituenten eine entscheidende Rolle und beeinflussen die Wachstumsraten abhängig von den Wachstumsbedingungen. Die Vorhersagen des Modells in Bezug auf das Wachstum von II-VI und III-V Verbindungshalbleiter wurden in grundlegenden Experimenten verifiziert und die Abhängigkeit der Wachstumsraten von den Wachstumsbedingungen bestätigt. Darüber hinaus konnte ein grundsätzlicher Unterschied in der Wachstumsdynamik der beiden Materialsysteme nachgewiesen werden. Charakteristisch für das SMMBE-Wachstum von II-VI Verbindungen ist die Koexistenz von Sekundärflüssen beider Konstituenten und eine vernachlässigbare Diffusionsdynamik. Hingegen ist die vom Gruppe-V-Gesamtfluss abhängige Oberflächendiffusion entscheidend für das Wachstum von III-V Strukturen. Über diese vom Modell beschriebenen grundlegenden Wachstumsprozesse hinaus wurde zusätzlich auch auf orientierungs- und verspannungsabhängige Prozesse, Halbschatteneffekte und das Zuwachsen der Maskenöffnungen eingegangen. Basierend auf diesen Ergebnissen der Modellrechnungen, den Experimenten und den technologischen Fortschritten wurden verschiedene neuartige Methoden zur Herstellung von II-VI und III-V Nanostrukturen entwickelt. Diese ermöglichen zum Beispiel Quantendrähte und Einzelquantenpunkte gezielt mit Schattenmasken zu wachsen. Dabei werden verschiedene Verfahren angewandt, die neben der materialspezifischen Wachstumsdynamik auch z.B. Selbstorganisationseffekte ausnutzen. Untersuchungen an SMMBE-Nanostrukturen demonstrierten die sehr hohe Positions- und Dimensionspräzision der SMMBE-Methode und eine hohe strukturelle und optische Qualität der hergestellten Quantenstrukturen, die sich z.B. in intensiver Kathodolumineszenz widerspiegelt. Diese Ergebnisse weisen SMMBE als vielversprechende Methode zur Herstellung von Nanostrukturen aus. Es werden aber auch die Grenzen des Verfahrens diskutiert und verschiedene Ansätze zu deren Überwindung vorgeschlagen. Darüber hinaus wurde das Potenzial der SMMBE-Technik dahingehend diskutiert, komplexe Quantenstrukturen durch mehrfache Anwendung einer stationären Schattenmaske herzustellen. Zusätzlich zum ortselektiven Wachstum kann die Schattenmaske auch zum lokalen Ätzen und Dotieren und zur in-situ-Kontaktierung ausgewählter Gebiete genutzt werden. Mit der Vielfalt der in dieser Arbeit entwickelten und vorgeschlagenen SMMBE Methoden, der präzisen Kontrolle der Strukturdimensionen und –positionen und der hohen Güte der hergestellten Quantenstrukturen bietet SMMBE eine interessante Perspektive für die Herstellung von komplexen quantenelektronischen Bauelementen aus II-VI und III-V Halbleiter.
KW  - Verbindungshalbleiter
KW  - Nanostruktur
KW  - Heteroepitaxie
KW  - Fernsehmaske
KW  - Maske (Halbleitertechnologie)
KW  - Molekularstrahlepitaxie
KW  - Verbindungshalbleiter
KW  - Nanostruktur
KW  - Lokales Wachstum
KW  - shadow mask
KW  - molecular beam epitaxy
KW  - compound semiconductor
KW  - nanostructures
KW  - selected area growth
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-10290
ER  - 
TY  - THES
A1  - Razinskas, Gary
T1  - Functional plasmonic nanocircuitry
T1  - Funktionelle plasmonische Nanoschaltkreise
N2  - In this work, functional plasmonic nanocircuitry is examined as a key of revolutionizing state-of-the-art electronic and photonic circuitry in terms of integration density and transmission bandwidth. In this context, numerical simulations enable the design of dedicated devices, which allow fundamental control of photon flow at the nanometer scale via single or multiple plasmonic eigenmodes. The deterministic synthesis and in situ analysis of these eigenmodes is demonstrated and constitutes an indispensable requirement for the practical use of any device. By exploiting the existence of multiple eigenmodes and coherence - both not accessible in classical electronics - a nanoscale directional coupler for the ultrafast spatial and spatiotemporal coherent control of plasmon propagation is conceived. Future widespread application of plasmonic nanocircuitry in quantum technologies is boosted by the promising demonstrations of spin-optical and quantum plasmonic nanocircuitry.
N2  - In dieser Arbeit werden funktionelle plasmonische Schaltkreise als Schlüssel zur Revolutionierung modernster elektronischer und photonischer Schaltkreise in Bezug auf deren Integrationsdichte und Übertragungsbandbreite untersucht. Mit Hilfe numerischer Simulationen werden Bauelemente speziell für die Steuerung des Photonenflusses im Nanometerbereich mittels einzelner bzw. mehrerer plasmonischer Eigenmoden konzipiert. Die deterministische Synthese und Analyse solcher Eigenmoden wird aufgezeigt und stellt eine unverzichtbare Voraussetzung für die praktische Anwendung eines jeden Nanoschaltkreises dar. Durch die Existenz mehrerer Eigenmoden und Kohärenz - beide in der klassischen Elektronik nicht zugänglich - lässt sich ein nanoskaliger Richtkoppler für die ultraschnelle räumliche und räumlich-zeitliche kohärente Kontrolle der Plasmonenausbreitung entwerfen. Künftig werden plasmonische Schaltkreise aufgrund der vielversprechenden Demonstrationen von spinoptischen und quantenplasmonischen Schaltkreisen in Quantentechnologien weite Verbreitung finden.
KW  - Nanooptik
KW  - Plasmon
KW  - Ultrakurzer Lichtpuls
KW  - Nanostruktur
KW  - Wellenleiter
KW  - Integrated circuit
KW  - Ultrafast information processing
KW  - Surface plasmon
KW  - Mode propagation
KW  - Coherent control
KW  - Integriert-optisches Bauelement
KW  - Ultraschnelle Informationsverarbeitung
KW  - Oberflächenplasmon
KW  - Modenpropagation
KW  - Kohärente Kontrolle
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-166917
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mahapatra, Suddhasatta
T1  - Formation and Properties of Epitaxial CdSe/ZnSe Quantum Dots : Conventional Molecular Beam Epitaxy and Related Techniques
T1  - Bildung und Eigenschaften Epitaxischer CdSe/ZnSe-Quantenpunkte : Molekularstrahlepitaxie und Verwandte Methoden
N2  - Albeit of high technological import, epitaxial self-assembly of CdSe/ZnSe QDs is non-trivial and still not clearly understood. The origin and attributes of these QDs are significantly different from those of their III-V and group-IV counterparts. For III-V and group-IV heterosystems, QD-formation is assigned to the Stranski Krastanow (SK) transition, wherein elastic relaxation of misfit strain leads to the formation of coherent three-dimensional (3D) islands, from a supercritically strained two-dimensional (2D) epilayer. Unfortunately, this phenomenon is inconspicuous for the CdSe/ZnSe heterosystem. Well-defined 3D islands are not readily formed in conventional molecular beam epitaxial (MBE) growth of CdSe on ZnSe. Consequently, several alternative approaches have been adopted to induce/enhance formation of QDs. This thesis systematically investigates three such alternative approaches, along with conventional MBE, with emphasis on the formation-mechanism of QDs, and optimization of their morphological and optical attributes. It is shown here that no distinct 3D islands are formed in MBE growth of CdSe on ZnSe. The surface of the CdSe layer represents a rough 2D layer, characterized by a dense array of shallow (<1nm) abutting mounds. In capped samples, the CdSe deposit forms an inhomogeneous CdZnSe quantum well (QW)-like structure. This ternary QW consists of local Cd-rich inclusions, which confine excitons three-dimensionally, and act as QDs. The density of such QDs is very high (~ 1012 cm-2). The QDs defined by the composition inhomogeneities of the CdZnSe QW presumably originate from the shallow mounds of the uncapped CdSe surface. By a technique wherein a CdSe layer is grown at a low temperature (TG = 230 °C) and subsequently annealed at a significantly higher temperature (TA =310 °C), tiny but distinct 3D islands are formed. In this work, the mechanism underlying the formation of these islands is reported. While the CdSe deposit forms a quasi-two-dimensional (quasi-2D) layer at TG = 230 °C, subsequent annealing at TA = 310 °C results in a thermally activated “up-climb” of adatoms onto two-dimensional clusters (or precursors) and concomitant nucleation of 3D islands. The areal density of QDs, achieved by this technique, is at least a decade lower than that typical for conventional MBE growth. It is demonstrated that further reduction is possible by delaying the temperature ramp-up to TA. In the second technique, formation of distinct islands is demonstrated by deposition of amorphous selenium (a-Se) onto a 2D CdSe epilayer at room temperature and its subsequent desorption at a higher temperature (TD = 230 °C). Albeit the self-assembled islands are large, they are severely truncated during subsequent capping with ZnSe, presumably due to segregation of Cd and Zn-alloying of the islands. The segregation phenomenon is analyzed in this work and correlated to the optical properties of the QDs. Additionally, very distinct vertical correlation of QDs in QD-superlattices, wherein the first QD-layer is grown by this technique and the subsequent ones by migration enhanced epitaxy (MEE), is reported. The process steps of the third variant technique, developed in course of this work, are very similar to those of the previous one-the only alteration being the substitution of selenium with tellurium as the cap-forming-material. This leads not only to large alteration of the morphological and optical attributes of the QDs, but also to formation of unique self-assembled island-patterns. Oriented dashes, straight and buckled chains of islands, and aligned island-pairs are formed, depending on the thickness of the Te-cap layer. The islands are partially alloyed with Te and emit luminescence at very low energies (down to 1.7 eV at room temperature). The Te cap layer undergoes (poly)crystallization during temperature ramp-up (from room temperature to TD) for desorption. Here, it is shown that the self-assembled patterns of the island-ensembles are determined by the pattern of the grain boundaries of the polycrystalline Te layer. Based on an understanding of the mechanism of pattern formation, a simple and “clean” method for controlled positioning of individual QDs and QD-based extended nanostructures, is proposed in this work. The studies carried out in the framework of this thesis provide not only a deeper insight into the microscopic processes governing the heteroepitaxial self-assembly of CdSe/ZnSe(001) QDs, but also concrete approaches to achieve, optimize, and control several technologically-important features of QD-ensembles. Reduction and control of QD-areal-density, pronounced vertical correlation of distinctly-defined QDs in QD-superlattices, and self-assembly of QD-based extended structures, as demonstrated in this work, might turn out to be beneficial for envisioned applications in information-, and communication-technologies.
N2  - Trotz ihrer großen technologischen Bedeutung ist die epitaktische Selbstorganisation von CdSe/ZnSe QDs noch immer nicht vollständig verstanden. Die Ursachen und Merkmale dieser QDs unterscheiden sich deutlich von ihren III-V- und IV-IV-Gegenstücken. Für III-V- und IV-IV-Heterosysteme wird die QD-Formation dem Stranski-Krastanow-(SK)-Übergang zugeordnet, bei dem, ausgehend von einer hochverspannten zweidimensionalen (2D) Epitaxieschicht, die elastische Relaxation von durch Gitterfehlanpassung hervorgerufener Verspannung zur Formation von dreidimensionalen (3D) Inseln führt. Im Falle des CdSe/ZnSe-Heterosystems ist es unklar, ob das SK-Modell die Formation von QDs zutreffend beschreibt. Beim Wachstum durch Molekularstrahlepitaxie (engl.: molecular beam epitaxy, MBE) von CdSe auf ZnSe kommt es nicht zur Bildung von 3D-Inseln, wie es für die meisten III-V- und IV-IV-Heterosysteme charakteristisch ist. Infolgedessen wurden mehrere alternative Herangehensweisen eingesetzt, um die Formation der QDs anzuregen bzw. zu verbessern. Diese Doktorarbeit beschreibt die systematische Untersuchung dreier solcher alternativer Ansätze im Zusammenspiel mit konventioneller MBE. Der Schwerpunkt liegt auf dem Formationsmechanismus der QDs und Optimierung ihrer morphologischen und optischen Eigenschaften. Beim MBE-Wachstum von CdSe auf ZnSe findet keine Bildung ausgeprägter, dreidimensionaler Inseln statt. Die Oberfläche der CdSe-Schicht stellt eine rauhe 2D-Schicht dar, gekennzeichnet durch eine dichte Anordung flacher, aneinander angrenzender Hügel. In bedeckten Proben bildet die CdSe-Ablagerung eine inhomogene CdZnSe-quantentrog-ähnliche (engl.: quantum well, QW) Struktur . Dieser ternäre QW enthält lokale Cd-reiche Einschlüsse, die die Bewegung von Exzitonen in drei Dimensionen einschränken und als QDs fungieren. Die Dichte solcher QDs ist sehr hoch (~ 1012 cm-2). Diese durch die Inhomogenität des CdZnSe-QW definierten QDs haben ihren Ursprung in den flachen Hügeln der unbedeckten CdSe-Oberfläche. Mit einer Methode, bei der man eine CdSe-Schicht bei niedriger Temperatur (TG = 230 °C) wachsen lässt und anschießend bei höherer Temperatur (TA = 310 °C) tempert, kommt es zur Bildung winziger, aber ausgeprägter, 3D-Inseln. In dieser Arbeit wird der Mechanismus, der der Bildung dieser Inseln zugrunde liegt, beschrieben. Während die CdSe-Ablagerung eine quasi-zweidimensionale (quasi-2D) Schicht bei TG = 230 °C bildet, führt das darauf folgende Tempern bei TA = 310 °C zu einem thermisch aktivierten „up-climb“ von Adatomen auf zweidimensionale Cluster (oder Vorgänger, engl.: precursor), bei gleichzeitiger Nukleation von 3D-Inseln. Die Flächendichte von QDs, die mit dieser Methode erreicht werden kann, ist mindestens eine Größenordung geringer als es für konventionelles MBE-Wachstum typisch ist. Eine weitere Verringerung ist möglich, indem der Temperaturanstieg auf TA verzögert wird. In einer zweiten Variante wird die Bildung großer und ausgeprägter Inseln durch Aufbringen einer amorphen Selenschicht (&#945;-Se) auf eine 2D-CdSe-Epischicht bei Raumtemperatur und anschließender Desorption bei höherer Temperatur (TD = 230 °C) demonstriert. Obwohl die selbstorganisierten Inseln groß sind, werden sie durch nachträgliches Bedecken mit ZnSe stark abgeflacht, was durch Segregation von Cd und Legieren der Inseln mit Zn hervorgerufen wird. Das Segregationsphänomen sowie sein Zusammenhang mit den optischen Eigenschaften der QDs wird in dieser Arbeit untersucht. Weiterhin wird vertikale Korrelation von QDs in QD-Übergittern beschrieben, in welchen die erste QD-Schicht mit dieser Methode wachsen gelassen wurde. Darauf folgende Schichten werden duch „migration enhanced epitaxy“ (MEE) aufgebracht. Die Prozessschritte der dritten Variante sind denen der eben beschriebenen sehr ähnlich. Die einzige Abwandlung besteht in der Substitution von Selen mit Tellur als bedeckendes Material. Diese Variation führt nicht nur zu beträchtlicher Veränderung der morphologischen und optischen Eigenschaften der QDs, sondern auch zur Bildung einzigartiger Muster von selbstorganisierten Inseln. Abhängig von der Dicke der Tellurbedeckung kommt es zur Bildung orientierter „dashes“, gerader und gebogener Ketten von Inseln und ausgerichteter Inselpaare. Die Inseln sind teilwese mit Tellur legiert und strahlen Lumineszenz in einem sehr niedrigen Energiebereich ab (bis hinunter zu 1,7 eV bei Raumtemperatur). Im Gegensatz zur &#945;-Se-Bedeckung kommt es in der Te-Schicht während der Temperaturerhöhung (von Raumtemperatur zu TD) zur Polykristallisierung. Es wird gezeigt, dass die selbstorganisierten Muster der Inseln durch die Verteilung der Korngrenzen der polykristallinen Te-Schicht bestimmt werden. Basierend auf dem Verständnis des Mechanismus der Musterbildung wird hier eine einfache und „saubere“ Methode für die kontrollierte Positionierung individueller QDs und QD-basierter, ausgedehnter Nanostrukturen vorgeschlagen.
KW  - Nanostruktur
KW  - Molekularstrahlepitaxie
KW  - Quantenpunkt
KW  - Würzburg / Sonderforschungsbereich II-VI-Halbleiter
KW  - Kraftmikroskopie
KW  - Selbstorganisation
KW  - Nanostructures
KW  - Self-organization
KW  - Molecular beam Epitaxy
KW  - CdSe
KW  - ZnSe
KW  - AFM
KW  - Luminescence
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-32831
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kern, Johannes
T1  - Optical and electrical excitation of nanoantennas with atomic-scale gaps
T1  - Optische und elektrische Anregung von Nanoantennen mit atomar kleinen Spalten
N2  - Nano-antennas are an emerging concept for the manipulation and control of optical fields at the sub-wavelength scale. In analogy to their radio- and micro-wave counterparts they provide an efficient link between propagating and localized fields. Antennas operating at optical frequencies are typically on the order of a few hundred nanometer in size and are fabricated from noble metals. Upon excitation with an external field the electron gas inside the antenna can respond resonantly, if the dimensions of the antenna are chosen appropriate. Consequently, the resonance wavelength depends on the antenna dimensions. The electron-density oscillation is a hybrid state of electron and photon and is called a localized plasmon resonance. The oscillating currents within the antenna constitute a source for enhanced optical near-fields, which are strongly localized at the metal surface.
 
A particular interesting type of antennas are pairs of metal particles separated by a small insulating gap. For anti-symmetric gap modes charges of opposite sign reside across the gap. The dominating field-components are normal to the metal surface and due to the boundary conditions they are sizable only inside the gap. The attractive Coulomb interaction increases the surface-charge accumulation at the gap and enhanced optical fields occur within the insulating gap. The Coulomb interaction increases with decreasing gap size and extreme localization and strongest intensity enhancement is expected for small gap sizes. 

In this thesis optical antennas with extremely small gaps, just slightly larger than inter-atomic distances, are investigated by means of optical and electrical excitation. In the case of electrical excitation electron tunneling across the antenna gap is exploited.

At the beginning of this thesis little was known about the optical properties of antennas with atomic scale gaps. Standard measurement techniques of field confinement and enhancement involving well-separated source, sample and detector are not applicable at atomic length-scales due to the interaction of the respective elements. Here, an elegant approach has been found. It is based on the fact that for closely-spaced metallic particles the energy splitting of a hybridized mode pair, consisting of symmetric and anti-symmetric mode, provides a direct measure for the Coulomb interaction over the gap. Gap antennas therefore possess an internal ruler which sensitively reports the size of the gap. 

Upon self-assembly side-by-side aligned nanorods with gap sizes ranging from 2 to 0.5nm could be obtained. These antennas exhibit various symmetric and anti-symmetric modes in the visible range. In order to reveal optical modes of all symmetries a novel scattering setup has been developed and is successfully applied. Careful analysis of the optical spectra and comparison to numerical simulations suggests that extreme field confinement and localization can occur in gaps down to 0.5 nm. This is possibly the limit of plasmonic enhancement since for smaller gaps electron tunneling as well as non-locality of the dielectric function affect plasmonic resonances. 
The strongly confined and intense optical fields provided by atomic-scale gaps are ideally suited for enhanced light-matter interaction. The interplay of intense optical-frequency fields and static electric fields or currents is of great interest for opto-electronic applications. In this thesis a concept has been developed, which allows for the electrical connection of optical antennas. By means of numerical simulations the concept was first verified for antennas with gap sizes on the order of 25 nm. It could be shown, that by attaching the leads at positions of a field minimum the resonant properties are nearly undisturbed. The resonance wavelengths shift only by a small amount with respect to isolated antennas and the numerically calculated near-field intensity enhancement is about 1000, which is just slightly lower than for an unconnected antenna. 
The antennas are fabricated from single-crystalline gold and exhibit superior optical and electrical properties. In particular, the conductivity is a factor of 4 larger with respect to multi-crystalline material, the resistance of the gap is as large as 1 TOhm and electric fields of at least 10^8 V/m can be continuously applied without damage. Optical scattering spectra reveal well-pronounced and tunable antenna resonances, which demonstrates the concept of electrically-connected antennas also experimentally.

By combining atomic-scale gaps and electrically-connected optical antennas a novel sub-wavelength photon source has been realized. To this end an antenna featuring an atomic scale gap is electrically driven by quantum tunneling across the antenna gap. The optical frequency components of this fluctuating current are efficiently converted to photons by the antenna. Consequently, light generation and control are integrated into a planar single-material nano-structure. Tunneling junctions are realized by positioning gold nanoparticles into the antenna gap, using an atomic force microscope. The presence of a stable tunneling junction between antenna and particle is demonstrated by measuring its distinct current-voltage characteristic. A DC voltage is applied to the junction and photons are generated by inelastically tunneling electrons via the enhanced local density of photonic states provided by the antenna resonance. The polarization of the emitted light is found to be along the antenna axis and the directivity is given by the dipolar antenna mode. By comparing electroluminescence and scattering spectra of different antennas, it has been shown that the spectrum of the generated light is determined by the geometry of the antenna. Moreover, the light generation process is enhanced by two orders of magnitude with respect to a non-resonant structure.

The controlled fabrication of the presented single-crystalline structures has not only pushed the frontiers of nano-technology, but the extreme confinement and enhancement of optical fields as well as the light generation by tunneling electrons lays a groundwork for a variety of fundamental studies and applications. 

Field localization down to the (sub-)nanometer scale is a prerequisite for optical spectroscopy with near-atomic resolution. Indeed, recently first pioneering experiments have achieved molecular resolution exploiting plasmon-enhanced Raman scattering. The small modal volume of antennas with atomic-scale gaps can lead to light-matter interaction in the strong coupling regime. Quantum electro-dynamical effects such as Rabi splitting or oscillations are likely when a single emitter is placed into resonant structures with atomic-scale gaps. 

The concept of electrically-connected optical antennas is expected to be widely applied within the emerging field of electro-plasmonics. The sub-wavelength photon source developed during this thesis 
will likely gain attention for future plasmonic nanocircuits. It is envisioned that in such a circuit the optical signal provided by the source is processed at ultrafast speed and nanometer-scales on the chip and is finally converted back into an electronic signal. An integrated optical transistor could be realized by means of photon-assisted tunneling. Moreover, it would be interesting to investigate, if it is possible to imprint the fermionic nature of electrons onto photons in order to realize an electrically-driven source of single photons. Non-classical light sources with the potential for on-chip integration could be built from electrically-connected antennas and are of great interest for quantum communication. To this end single emitters could be placed in the antenna gap or single electron tunneling could be achieved by means of a single-channel quantum point contact or the Coulomb-blockade effect.
N2  - Nanoantennen sind ein zukunftweisendes Konzept für die Manipulation und Kontrolle von optischen Feldern auf der Subwellenlängen-Skala. Analog zu Radio- und Mikrowellenantennen können sie auf effiziente Weise propagierende und lokalisierte Felder ineinander umwandeln. Optische Antennen sind typischerweise nur einige hundert Nanometer groß und werden aus Edelmetallen hergestellt. Besitzt die Antenne passende geometrische Maße, kann das Elektronengas durch Anregung mit einem externen Feld in resonante Schwingungen versetzt werden. Die Resonanzwellenlänge ist somit durch die Antennengeometrie bestimmt. Die Elektronendichte-Schwingung ist ein Hybridzustand aus Elektron und Photon und wird lokalisierte Plasmonenresonanz genannt.  Wird die Resonanz angeregt so kommt es zu oszillierenden Strömen, welche eine Quelle für verstärkte optische Nahfelder darstellen. Diese Felder sind an die Metalloberfläche gebunden und daher stark lokalisiert. 

Eine besonders interessante Antennengeometrie ist ein Paar von Metallpartikeln, die durch einen schmalen Spalt getrennt sind. Antisymmetrische Antennenmoden besitzen Ladungen mit entgegengesetzten Vorzeichen auf der jeweiligen Seite des Spalts. Die dominierenden elektrischen Felder stehen senkrecht zur Metalloberfläche und sind aufgrund der elektromagnetischen Randbedingungen hauptsächlich im Antennenspalt lokalisiert. Bei anti-symmetrischen Moden verstärkt die Coulombanziehung die Landungsträgerdichte in der Nähe des Spalts und es treten verstärkte optische Nahfelder zwischen den zwei Antennenarmen auf. Die Coulombwechselwirkung nimmt mit kleiner werdendem Abstand zu und für Strukturen mit sehr kleinem Abstand ist eine sehr große Feldverstärkung und eine sehr starke Lokalisation zu erwarten.    

In dieser Dissertation wurden optische Antennen untersucht, deren zwei Antennenarme durch einen extrem schmalen Spalt in der Größenordnung von interatomaren Abständen getrennt sind. Eigenmoden der Antennen werden durch zwei fundamental verschiedene Mechanismen anregt: Entweder durch optische Anregung oder durch das Anlegen einer elektrischen Gleichspannung. Bei der zweiten Methode wird der 
quantenmechanische Elektron-Tunnelprozess ausgenutzt. 

Zu Beginn dieser Arbeit existierten nur wenige Studien über Antennen mit sehr kleinen Spaltbreiten und es war nicht bekannt ob optische Felder auf atomarer Skala lokalisiert und verstärkt werden können. Allerdings ist eine direkte Messung der Feldlokalisation und Feldverstärkung auf atomarer Skala nicht möglich, da eine Unterscheidung zwischen Quelle, Probe und Detektor aufgrund deren gegenseitigen Wechselwirkungen schwierig ist. In dieser Arbeit wurde jedoch ein eleganter Ansatz entwickelt um dieses Problem zu umgehen. Dieser Ansatz nutzt aus, dass die energetische Aufspaltung eines hybridisierten Modenpaares, bestehend aus einer symmetrischen und anti-symmetrischen Mode,  proportional zur Coulombwechselwirkung zwischen den Antennenarmen ist. Die Coulombwechselwirkung skaliert mit der Spaltbreite und somit gibt die energetische Aufspaltung der beiden Moden sehr genau den Abstand zwischen den zwei Antennenarmen wieder.

Die untersuchten Strukturen waren zwei längsseitig-parallel liegende Nanostäbchen mit einem Abstand von 2 bis weniger als 0,5 nm. Diese Antennen konnten auf einfache Weise durch Selbstorganisation erhalten werden. Ein weiterer Grund für die Verwendung dieser Strukturen lag darin, dass bei ihnen symmetrische und anti-symmetrische Moden im sichtbaren Spektralbereich liegen. Um optische Moden jeglicher Symmetrie anregen zu können wurde in dieser Arbeit ein neuartiger experimenteller Aufbau zur Messung von Streuspektren entwickelt und erfolgreich eingesetzt. Sorgfältige Analysen der optischen Spektren und Vergleiche mit numerischen Rechnungen legen nahe, dass hohe Feldverstärkungen und Lokalisationen selbst für Strukturen mit Spaltbreiten von nur 0,5 nm auftreten. Möglicherweise erreichen die untersuchten Antennen die maximal möglichen Feldverstärkungen, denn für kleinere Abstände werden Plasmonenresonanzen durch elektronische Tunnelprozesse und nicht-lokale Effekte der dielektrischen Funktion geschwächt.  

Die lokalisierten und verstärkten optischen Felder, die durch Antennen mit Spaltbreiten auf der Skala von atomaren Abständen erreicht werden können, eignen sich hervorragend für eine Verstärkung von Licht-Materie-Wechselwirkungen. Für opto-elektronische Anwendungen ist hierbei das Wechselspiel zwischen Feldern mit optischen Frequenzen und statischen elektrischen Feldern oder Strömen von großem Interesse. In dieser Arbeit wurde ein Konzept erarbeitet, welches es ermöglicht optische Antennen elektrisch zu kontaktieren. Dieses Konzept wurde zunächst an Antennen mit circa 25 nm breiten Spalten mithilfe von numerischen Berechnungen verifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Kontaktierung an den Positionen der Feldminima die Eigenmoden der Antenne nahezu unverändert bleiben. So liegen die Resonanzen der kontaktierten Antennen bei nahezu den gleichen Wellenlängen wie bei der unkontaktierten Antennen und die berechneten Feldverstärkungen sind mit einem Wert von 1000 nur minimal kleiner. Die Strukturen wurden aus einkristallinem Gold hergestellt und besitzen sehr gute optische und elektrische Eigenschaften. Beispielsweise ist die elektrische Leitfähigkeit viermal größer als bei multikristallinen Strukturen. Der elektrische Widerstand der Spalte ist circa 1 TOhm und elektrische Felder mit einer Stärke von mindestens 10^8 V/m können dauerhaft angelegt werden, ohne die Strukturen zu beschädigen. Mithilfe von Weißlicht-Streuexperimenten wurden die optischen Eigenschaften der hergestellten Strukturen untersucht. Die gemessenen Spektren zeigen wohl definierte Plasmonenresonanzen, deren Resonanzwellenlänge durch die Antennenlänge bestimmt ist. Somit konnte das Konzept auch experimentell bestätigt werden.

Durch Kombination von Spalten in der Größenordnung von atomaren Abständen mit elektrisch kontaktierten Antennen konnte eine Lichtquelle mit Abmessungen kleiner als die Lichtwellenlänge realisiert werden. Die Lichtquelle basiert auf einem neuartigen Mechanismus bei dem Photonen durch elektrisches Treiben der Antenne generiert werden. Die hierzu benötigten Felder mit optischen Frequenzen werden durch statistische Fluktuationen des quantenmechanischen Tunnelstromes bereitgestellt. Somit findet die Lichterzeugung und -kontrolle in einer planaren Nanostruktur statt, die nur aus einem einzelnen Material besteht. 
Um einen Tunnelkontakt zwischen den elektrisch kontaktierten Antennenarmen zu erreichen, wurden Goldnanopartikel mithilfe eines Rasterkraftmikroskops in dem Antennenspalt platziert. Zwischen dem Goldpartikel und mindestens einem der Antennenarmen bildet sich dabei ein stabiler Tunnelkontakt, dessen Existenz durch die reproduzierbare Messung der charakteristischen Strom-Spannungskennlinie bewiesen werden konnte. 
Durch Anlegung einer konstanten Spannung kommt es zu inelastischen Tunnelprozessen bei denen Photonen erzeugt werden. Dabei wird die erhöhte optische Zustandsdichte der Antenne ausgenutzt, so dass das abgestrahlte Licht eine Polarisation entlang der Antennenachse zeigt und die räumliche Abstrahlcharakteristik durch die dipolartige Antennenmode bestimmt ist. Durch Variation der Antennengeometrie und durch Vergleich mit Streuspektren konnte gezeigt werden, dass die Wellenlänge des elektrisch erzeugten Lichts durch die Antennengeometrie bestimmt ist. Der Vergleich mit einer nicht-resonanten Referenzstruktur zeigt, dass die Antenne die Effizienz des Lichterzeugungsprozesses um zwei Größenordnungen erhöht. 

Die in dieser Arbeit entwickelten Methoden zur kontrollierten Herstellung ein\-kris\-talliner Nanoantennen mit Spaltbreiten auf der Skala von atomaren Abständen erweitern die Grenzen der Nanotechnologie. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass lokalisierte und verstärkte optische Felder auf atomarer Skala existieren können und es wurde mit einer Gleichspannung mithilfe des inelastischen Tunnelprozesses Licht erzeugt. Diese Studien eröffnen vielfältige Möglichkeiten sowohl für Grundlagenforschung als auch praktische Anwendungen. 

Die Lokalisation von optischen Feldern auf der (sub)-nanometer Skala ist die Voraussetzung für optische Spektroskopie nahe an der atomaren Auflösung. So konnte kürzlich in einem wegweisenden optischen Experiment molekulare Auflösung durch Messung von plasmonen verstärkter Ramanstreuung gezeigt werden. Das kleine Modenvolumen von Antennen mit Spaltbreiten in der Größenordnung atomarer Abstände kann zu einer Licht-Materie-Wechselwirkung im Bereich der starken Kopplung führen. Dies hätte zur Folge, dass Quanten-Elektro-Dynamische Effekte wie Rabi-Aufspaltung oder -Oszillationen in Zukunft bei Experimenten, in denen einzelne Lichtemitter in sehr schmale Antennenspalte platziert sind, beobachtet werden können. 

Es ist zu erwarten, dass elektrisch kontaktierte optische Antennen zukünftig in dem neuen Forschungsgebiet der Elektro-Plasmonik eingesetzt werden. Die entwickelte Subwellenlängen-Lichtquelle ist von großem Interesse für zukünftige plasmonische Nano-Schaltkreise. Es ist vorstellbar, dass optische Signale in solchen Schaltkreisen mit sehr hoher Geschwindigkeit auf der Nanoskala manipuliert werden und anschließend wieder in elektrische Signale umgewandelt werden können. Des Weiteren wäre es möglich einen optischen Transistor, basierend auf einer kontaktierten Antenne, zu integrieren. Die Schaltung des Transistors könnte durch den photon-unterstützten Tunneleffekt erreicht werden. 

Ein weiteres interessantes Experiment in naher Zukunft wäre die Übertragung der fermionischen Eigenschaften von Elektronen auf Photonen, um eine elektrisch-getriebene Einzelphotonen-Quelle zu erhalten. Solch eine nicht-klassische Lichtquelle könnte aus elektrisch kontaktierten Antennen hergestellt werden und besäße das Potential zur Integration in Schaltkreise für Quantenkommunikations-Anwendungen. Ein Ansatz dafür wäre die Positionierung von Einzelemittern in den Antennenspalt. Ein anderer Ansatz könnte auf Einzel-Elektronen-Tunnelprozessen basieren, wie sie in Einkanal-Quantenpunktkontakten oder aufgrund des Coulombblockade-Effektes stattfinden.
KW  - Nanooptik
KW  - Nanostruktur
KW  - near-field optics
KW  - Nahfeld Optik
KW  - nanoantenna
KW  - atomic-scale gap
KW  - electrical excitation
KW  - plasmonics
KW  - electron tunneling
KW  - Nanoantenne
KW  - atomar kleine Lücke
KW  - elektrische Anregung
KW  - Elektronen Tunneln
KW  - Antenne
KW  - Nahfeldoptik
KW  - Plasmon
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-115492
ER  - 
TY  - THES
A1  - Götz, Sebastian Reinhold
T1  - Nonlinear spectroscopy at the diffraction limit: probing ultrafast dynamics with shaped few-cycle laser pulses
T1  - Nichtlineare Spektroskopie am Beugungslimit: Untersuchung ultraschneller Dynamiken mit geformten Laserpulsen
N2  - An experimental setup for probing ultrafast dynamics at the diffraction limit was developed, characterized and demonstrated in the scope of the thesis, aiming for optical investigations while simultaneously approaching the physical limits on the length and timescale.
An overview of this experimental setup was given in Chapter 2, as well as the considerations that led to the selection of the individual components. Broadband laser pulses with a length of 9.3 fs, close to the transform limit of 7.6 fs, were focused in a NA = 1.4 immersion oil objective, to the diffraction limit of below 300 nm (FWHM). 
The spatial focus shape was characterized with off-resonance gold nanorod scatterers scanned through the focal volume. For further insights into the functionality and limitations of the pulse shaper, its calibration procedure was reviewed. The deviations between designed and experimental pulse shapes were attributed to pulse-shaper artifacts, including voltage-dependent inter-layer as well as intra-layer LCD-pixel crosstalk, Fabry-Pérot-type reflections in the LCD layers, and space-time coupling. A pixel-dependent correction was experimentally carried out, which can be seen as an extension of the initial calibration to all possible voltage combinations of the two LCD layers.
The capabilities of the experimental setup were demonstrated in two types of experiments, targeting the nonlinearity of gold (Chapter 3) as well as two-dimensional spectroscopy at micro-structured surfaces (Chapter 4).
Investigating thin films, an upper bound for the absolute value for the imaginary part of the nonlinear refractive index of gold could be set to |n′′ 2 (Au)| < 0.6·10−16 m2/W, together with |n′ 2 (Au)| < 1.2·10−16 m2/W as an upper bound for the absolute value of the real part. Finite-difference time-domain simulations on y-shaped gold nanostructures indicated that a phase change of ∆Φ ≥ 0.07 rad between two plasmonic modes would induce a sufficient change in the spatial contrast of emission to the far-field to be visible in the experiment. As the latter could not be observed, this value of ∆Φ was determined as the upper bound for the experimentally induced phase change. An upper bound of 52 GW/cm2 was found for the damage threshold.
In Chapter 4, a novel method for nonlinear spectroscopy on surfaces was presented. Termed coherent two-dimensional fluorescence micro-spectroscopy, it is capable of exploring ultrafast dynamics in nanostructures and molecular systems at the diffraction limit. Two-dimensional spectra of spatially isolated hotspots in structured thin films of fluorinated zinc phthalocyanine (F16ZnPc) dye were taken with a 27-step phase-cycling scheme. Observed artifacts in the 2D maps were identified as a consequence from deviations between the desired and the experimental pulse shapes. The optimization procedures described in Chapter 2 successfully suppressed the deviations to a level where the separation from the nonlinear sample response was feasible.
The experimental setup and methods developed and presented in the scope of this thesis demonstrate its flexibility and capability to study microscopic systems on surfaces. The systems exemplarily shown are consisting of metal-organic dyes and metallic nanostructures, represent samples currently under research in the growing fields of organic semiconductors and plasmonics.
N2  - Ein experimenteller Aufbau zur Untersuchung von ultraschnellen Dynamiken am Beugungslimit wurde in dieser Arbeit entwickelt, charakterisiert und demonstriert. Sie hatte zum Ziel, im Rahmen von optischen Beobachtungen gleichzeitig an die physikalischen Grenzen von Längen- und Zeitskalen zu gehen
Es wurde ein Überblick über den verwendeten experimentellen Aufbau gegeben, zusammen mit den Überlegungen, die zur Auswahl der einzelnen Komponenten geführt haben. Für die Pulslänge der spektral breitbandigen Laserpulse wurde auf 9.3 fs gemessen, was nahe an der transformlimitierten Dauer von 7.6 fs liegt. Im beugungslimitierten Fokus eines Immersionsölobjektivs mit einer numerischen Apertur von 1.4 konnte das Licht räumlich auf eine Halbwertsbreite von unter 300 nm komprimiert werden.
Der Fokus des Mikroskopobjektivs wurde mit Hilfe der Streuung von nicht resonanten Nanopartikeln aus Gold ausgemessen, indem diese räumlich durch den Fokus gerastert wurden. Zur weiteren Untersuchung des Funktionsumfangs und der Grenzen des benutzten Pulsformers wurde dessen Eichprozedur geprüft. Die Abweichungen zwischen gewünschten und tatsächlich angelegten Pulsformen wurden auf Artefakte des Pulsformers zurückgeführt. Diese Artefakte beinhalten eine spannungsabhängige Beeinflussung der LCD-Pixel sowohl zwischen benachbarten Pixeln einer Schicht als auch zwischen Pixeln unterschiedlicher Schichten. Eine pixelabhängige Korrektur wurde implementiert, die eine Erweiterung der ursprünglichen Kalibrierung auf alle möglichen Spannungskombinationen der LCD-Pixel darstellt.
Die Möglichkeiten experimentellen Aufbaus wurden mit zwei Arten von Experimenten demonstriert: Messungen zur Bestimmung des nichtlinearen Brechungsindexes von Gold (Kapitel 3) sowie zweidimensionale Spektroskopie an mikrostrukturierten Oberflächen (Kapitel 4).
Für den nichtlinearen Brechungsindexes von Gold konnte an Dünnschichten eine obere Grenze von |n′′ 2 (Au)| < 0.6·10−16 m2/W für den Betrag des Imaginärteils und |n′ 2 (Au)| < 1.2·10−16 m2/W für den Betrag des Realteils festgesetzt werden. Simulationen mit der Finite-Differenzen-Methode an Y-förmige Nanostrukturen aus Gold zeigten, dass eine Phasenänderung von ∆Φ ≥ 0.07 rad zwischen zwei plasmonischen Moden ausreichend für eine experimentell sichtbare Kontraständerung der Fernfeldabstrahlung wäre. Da letztere nicht beobachtet werden konnte, wurde dieser Wert für ∆Φ als obere Grenze für die experimentell eingeführte Phasenänderung festgesetzt. Für die Zerstörschwelle wurde eine obere Grenze von 52 GW/cm2 gefunden.
In Kapitel 4, wurde eine neue Methode für nichtlineare Spektroskopie an Oberflächen vorgestellt. Sie trägt den Namen ”Kohärente zweidimensionale Fluoreszenz-Mikrospektroskopie“ und eignet sich zur Untersuchung ultraschneller Dynamiken in Nanostrukturen und molekularen Systemen am Beugungslimit.
Es wurden 2D-Spektren von räumlich isolierten Hotspots einer strukturierten Zink-Phthalocyanin (F16ZnPc) Dünnschicht mit 27-fachem Phasecycling aufgenommen. Als Grund für Artefakte in den 2D-Karten wurden Abweichungen zwischen den gewünschten und experimentellen Pulsformen identifiziert. Durch die in Kapitel 2 vorgestellten Optimierungen konnten die Abweichungen allerdings so stark reduziert werden, dass deren Trennung von der nichtlinearen Antwort der Probe möglich wurde.
Die Flexibilität und der Funktionsumfang zur Analyse mikroskopischer Systeme der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten experimentellen Aufbauten und Methoden wurde demonstriert. Repräsentativ für die wachsenden Forschungsfelder der organischen Halbleiter und der Plasmonik wurden exemplarisch Systeme bestehend aus metall-organischen Farbstoffen und metallischen Nanostrukturen untersucht.
KW  - Ultrakurzzeitspektroskopie
KW  - Fluoreszenzspektroskopie
KW  - Fourier-Spektroskopie
KW  - Nanostruktur
KW  - Konfokale Mikroskopie
KW  - Coherent Multidimensional Spectroscopy
KW  - Laser Pulse Shaping
KW  - LCD Pulse Shaper
KW  - Surface Plasmon
KW  - Kohärente Multidimensionale Spektroskopie
KW  - Laserpulsformung
KW  - LCD Pulsformer
KW  - Oberflächenplasmon
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-192138
ER  -