TY  - THES
A1  - Röding, Sebastian
T1  - Coherent Multidimensional Spectroscopy in Molecular Beams and Liquids Using Incoherent Observables
T1  - Kohärente Multidimensionale Spektroskopie in Molekularstrahlen und Flüssigkeiten durch inkohärente Observablen
N2  - Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Umsetzung einer experimentellen Herangehensweise, welche die kohärente zweidimensionale (2D) Spektroskopie an Proben in unterschiedlichen Aggregatzuständen ermöglicht.
Hierzu wurde zunächst ein Aufbau für flüssige Proben realisiert, in welchem die emittierte Fluoreszenz als Messsignal zur Aufnahme der 2D Spektren genutzt wird. Im Gegensatz zu dieser bereits etablierten Methode in der flüssigen Phase stellt die in dieser Arbeit außerdem vorgestellte 2D Spektroskopie an gasförmigen Proben in einem Molekularstrahl einen neuen Ansatz dar. Hierbei werden zum ersten Mal Kationen mittels eines Flugzeitmassenspektrometers als Signal verwendet und somit ionen-spezifische 2D Spektren isolierter Moleküle erhalten. Zusätzlich zu den experimentellen Entwicklungen wurde in dieser Arbeit ein neues Konzept zur Datenerfassung in der 2D Spektroskopie entworfen, welches mit Hilfe einer optimierten Signalabtastung und eines Compressed-Sensing Rekonstruktionsalgorithmus die Aufnahmezeit der Daten deutlich reduziert.

Charakteristisch für die in dieser Arbeit eingesetzte Variante der 2D Spektroskopie ist die Verwendung einer phasenkohärenten Sequenz bestehend aus vier Laserimpulsen in einer kollinearen Laserstrahlgeometrie zur Anregung der Probe. Diese Impulssequenz wurde durch einen Laserimpulsformer erzeugt, der durch Änderung der relevanten Laserimpulsparameter mit der Wiederholrate des Lasers eine schnelle Datenerfassung ermöglicht. Die Antwort der Probe auf diese Anregung wurde durch inkohärente Observablen gemessen, welche proportional zur Population des angeregten Zustandes sind, wie zum Beispiel Fluoreszenz oder Ionen. Um aus diesem Signal während der Datenanalyse die gewünschten nichtlinearen Beiträge zu extrahieren, wurde die Messung mit verschiedenen Kombinationen der relativen Phase zwischen den Laserimpulsen wiederholt ("Phase Cycling").

Der Aufbau zur 2D Spektroskopie in flüssiger Phase mit Fluoreszenz-Detektion wurde an Hand von 2D Spektren des Laserfarbstoffes Cresyl Violett charakterisiert. Hierbei wurden Oszillationen in verschiedenen Bereichen des 2D Spektrums beobachtet, welche durch vibronische Kohärenzen hervorgerufen werden und mit früheren Beobachtungen in der Literatur übereinstimmen.

Mit dem gleichen Datensatz wurde im nächsten Schritt das neue Konzept zur optimierten Datenerfassung demonstriert. Um ein optimiertes Schema für die Signalabtastung zu finden, wurde ein genetischer Algorithmus implementiert, wobei nur ein Viertel der eigentlichen Datenpunkte zur Messwerterfassung verwendet werden sollte. Dies reduziert die Zeitdauer der Datenerfassung auf ein Viertel der ursprünglichen Messzeit. Die Rekonstruktion des vollständigen Signales erfolgte mit Hilfe einer neuartigen, kompakten Darstellung von 2D Spektren basierend auf der von Neumann Basis. Diese Herangehensweise benötigte im Vergleich zur üblicherweise verwendeten Fourier Basis nur ein Sechstel der Koeffizienten um das Signal vollständig darzustellen und ermöglichte so die erfolgreiche Rekonstruktion der Oszillationen in Cresyl Violett aus einem reduzierten Datensatz. 

Mit Hilfe der neuartigen kohärenten 2D Spektroskopie an Molekularstrahlen wurden Übergänge von hoch angeregten Rydberg-Zuständen ins ionische Kontinuum in Stickstoffdioxid untersucht. Als dominierender Beitrag stellte sich hierbei der Übergang in auto-ionisierende Zustände heraus. Ein wesentlicher Vorteil der Datenerfassung über ein Flugzeitmassenspektrometer ist die Möglichkeit der gleichzeitigen Aufnahme von 2D Spektren der Edukte und Produkte einer chemischen Reaktion. Dies wurde in Experimenten zur Mehrphotonenionisation gezeigt, in denen deutliche Unterschiede in den 2D Spektren des Stickstoffdioxid-Kations und des Stickstoffmonoxid-Fragmentes sichtbar wurden, welche auf unterschiedliche Antwortfunktionen zurückzuführen sind.

Die in dieser Arbeit entwickelten experimentellen Techniken ermöglichen die schnelle Aufnahme von 2D Spektren für Proben in unterschiedlichen Aggregatzuständen und erlauben einen zuverlässigen, direkten Vergleich der Ergebnisse. Sie sind deshalb ein Wegbereiter für zukünftige Untersuchungen der Eigenschaften quantenmechanischer Kohärenzen in photophysikalischen Prozessen oder während photochemischer Reaktionen in unterschiedlichen Aggregatzuständen.
N2  - The aim of the present work was to implement an experimental approach that enables coherent two-dimensional (2D) electronic spectroscopy of samples in various states of matter. For samples in the liquid phase, a setup was realized that utilizes the sample fluorescence for the acquisition of 2D spectra. Whereas the liquid-phase approach has been established before, coherent 2D spectroscopy on gaseous samples in a molecular beam as developed in this work is in fact a new method. It employs for the first time cations in a time-of-flight mass spectrometer for signal detection and was used to obtain the first ion-selective 2D spectra of a molecular-beam sample. Additionally, a new acquisition concept was developed in this thesis that significantly decreases measurement times in 2D spectroscopy using optimized sparse sampling and a compressed-sensing reconstruction algorithm.

Characteristic for the variant of 2D spectroscopy presented in this work is the usage of a phase-coherent sequence of four laser pulses in a fully collinear geometry for sample excitation. The pulse sequence was generated by a custom-designed pulse shaper that is capable of rapid scanning by changing the pulse parameters such as time delays and phases with the repetition rate of the laser. The sample's response was detected by monitoring incoherent observables that arise from the final-state population, for instance fluorescence or cations. Phase cycling, i.e., signal acquisition with different combinations of the relative phases of the excitation pulses, was applied to extract nonlinear signal contributions from the full signal during data analysis. 

Liquid-phase 2D fluorescence spectroscopy was established with the laser dye cresyl violet as a sample molecule, confirming coherent oscillations previously observed in literature that are originating from vibronic coherences in specific regions of the 2D spectrum. 

The data set of this experiment was used subsequently to introduce optimized sparse sampling in 2D spectroscopy. An optimization algorithm was implemented in order to find the best sampling pattern while taking only one quarter of the regular time-domain sampling points, thereby reducing the acquisition time by a factor of four. Signal recovery was based on a new and compact representation of 2D spectra using the von Neumann basis, which required about six times less coefficients than the Fourier basis to retain the relevant information. Successful reconstruction was shown by recovering the coherent oscillations in cresyl violet from a reduced data set. 

Finally, molecular-beam coherent 2D spectroscopy was introduced with an investigation of ionization pathways in highly-excited nitrogen dioxide, revealing transitions to discrete auto-ionizing states as the dominant contribution to the ion signal. Furthermore, the advantage of the time-of-flight approach to obtain reactant and product 2D spectra simultaneously enabled the observation of distinct differences in the multiphoton-ionization response functions of the nitrogen dioxide cation and the nitrogen oxide ionic fragment.  

The developed experimental techniques of this work will facilitate fast acquisition of 2D spectra for samples in various states of matter and permit reliable direct comparison of results. Therefore, they pave the way to study the properties of quantum coherences during photophysical processes or photochemical reactions in different environments.
KW  - Femtosekundenspektroskopie
KW  - Ultrakurzzeitspektroskopie
KW  - Pump-Probe Technik
KW  - Fourier-Spektroskopie
KW  - Coherent Multidimensional Spectroscopy
KW  - Time-Resolved Spectroscopy
KW  - Photochemistry
KW  - Laser Pulse Shaping
KW  - Sparse Sampling
KW  - Kohärente Multidimensionale Spektroskopie
KW  - Zeitaufgelöste Spektroskopie
KW  - Photochemie
KW  - Laserimpulsformung
KW  - Sparse Sampling
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-156726
ER  - 
TY  - THES
A1  - Brendel, Michael
T1  - Correlation between Interface Energetics of Molecular Semiconductors and Opto-Electronic Properties of Planar Organic Solar Cells
T1  - Der Zusammenhang zwischen der Energetik molekularer Halbleitergrenzflächen und den opto-elektronischen Eigenschaften planarer organischer Solarzellen
N2  - It was the scope of this work to gain a deeper understanding of the correlation between Interface energetics of molecular semiconductors in planar organic solar cells and the corresponding optoelectronic characteristics. For this aim, different approaches were followed. At first, a direct variation of donor/acceptor (D/A) interface energetics of bilayer cells was achieved by utilizing systematically modified donor compounds. This change could be correlated to the macroscopic device performance. At second, the impact of interface energetics was illustrated, employing a more extended device architecture. By introducing a thin interlayer between a planar D/A heterojunction, an energetic staircase was established. Exciton dissociation in such devices could be linked to the cascade energy level alignment of the photo-active materials. Finally, two different fullerene molecules C60 and C70 were employed in co-evaporated acceptor phases. The expected discrepancy in their electronic structure was related to the transport properties of the corresponding organic photovoltaic cells (OPVCs). The fullerenes are created simultaneously in common synthesis procedures. Next to the photo-physical relevance, the study was carried-out to judge on the necessity of separating the components from each other by purification which constitutes the cost-determining step in the total production costs.
N2  - Es war das Ziel dieser Arbeit ein tieferes Verständnis für die Beziehung zwischen der Grenzflächenenergetik der molekularen Halbleiter planarer, organischer Solarzellen und den zugehörigen opto-elektronischen Bauteileigenschaften zu gewinnen. Für diesen Zweck wurden verschiedene Ansätze verfolgt. Einerseits wurde eine Veränderung der Donator/Akzeptor (D/A) Grenzflächenenergetik von Bilagen-Solarzellen durch die Verwendung verschieden fluorierter Donatorverbindungen erreicht. Andererseits wurde der Einfluss der Grenzflächenenergetik anhand einer geänderten Bauteilarchitektur aufgezeigt. Durch das Einbringen einer dünnen Schicht zwischen der D/A Heterogrenzfläche, wurde eine energetische Treppe realisiert. In diesen Solarzellen konnte die Exzitonendissoziation mit der Kaskaden-Energielevel-Anpassung der molekularen Halbleiter in Verbindung gebracht werden. Abschließend wurden zwei verschiedene Fullerenmoleküle in ko-verdampften Akzeptorphasen eingesetzt. Der vermeintliche Unterschied in ihrer elektronischen Struktur wurde mit den Transporteigenschaften der organischen photovoltaischen Zellen korreliert. Auf herkömmlichen Syntheserouten werden die Fullerene simultan generiert. Neben Gründen der photo-physikalischen Relevanz, wurde die Studie durchgeführt, um die Notwendigkeit der Trennung der Komponenten voneinander zu beurteilen, da dieser Aufreinigungsschritt der Kosten-bestimmende Prozess für die Gesamtmaterialkosten ist
KW  - Organische Solarzelle
KW  - organic solar cell
KW  - planar heterojunction
KW  - interface energetics
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-155094
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TY  - THES
A1  - Ochs, Maximilian Thomas
T1  - Electrically Connected Nano-Optical Systems: From Refined Nanoscale Geometries to Selective Molecular Assembly
T1  - Elektrisch Kontaktierte Nano-Optische Systeme: Von Komplexen Geometrien bis zur Gezielten Oberflächenmodifikation
N2  - Metallic nano-optical systems allow to confine and guide light at the nanoscale,
a fascinating ability which has motivated a wide range of fundamental as well
as applied research over the last two decades. While optical antennas provide
a link between visible radiation and localized energy, plasmonic waveguides
route light in predefined pathways. So far, however, most experimental demonstrations
are limited to purely optical excitations, i.e. isolated structures are
illuminated by external lasers. Driving such systems electrically and generating
light at the nanoscale, would greatly reduce the device footprint and pave the
road for integrated optical nanocircuitry. Yet, the light emission mechanism as
well as connecting delicate nanostructures to external electrodes pose key challenges
and require sophisticated fabrication techniques. This work presents various
electrically connected nano-optical systems and outlines a comprehensive
production line, thus significantly advancing the state of the art. Importantly,
the electrical connection is not just used to generate light, but also offers new
strategies for device assembly. In a first example, nanoelectrodes are selectively
functionalized with self-assembled monolayers by charging a specific electrode.
This allows to tailor the surface properties of nanoscale objects, introducing an
additional degree of freedom to the development of metal-organic nanodevices.
In addition, the electrical connection enables the bottom-up fabrication of tunnel
junctions by feedback-controlled dielectrophoresis. The resulting tunnel barriers
are then used to generate light in different nano-optical systems via inelastic
electron tunneling. Two structures are discussed in particular: optical Yagi-Uda
antennas and plasmonic waveguides. Their refined geometries, accurately fabricated
via focused ion beam milling of single-crystalline gold platelets, determine
the properties of the emitted light. It is shown experimentally, that Yagi-Uda
antennas radiate light in a specific direction with unprecedented directionality,
while plasmonic waveguides allow to switch between the excitation of two
propagating modes with orthogonal near-field symmetry. The presented devices
nicely demonstrate the potential of electrically connected nano-optical systems,
and the fabrication scheme including dielectrophoresis as well as site-selective
functionalization will inspire more research in the field of nano-optoelectronics.
In this context, different future experiments are discussed, ranging from the
control of molecular machinery to optical antenna communication.
N2  - Nano-optische Systeme ermöglichen es, Licht auf der Nanoskala zu fokussieren
und zu leiten - eine faszinierende Fähigkeit, die in den letzten zwei Jahrzehnten
ein breites Spektrum an Grundlagen- und angewandter Forschung motiviert
hat. Während optische Antennen lokalisierte Energie mit sichtbarer Strahlung
verknüpfen, leiten plasmonische Wellenleiter das Licht in vordefinierte Bahnen.
Bislang jedoch beschränken sich die meisten Experimente auf isolierte Strukturen,
die durch externe Lichtquellen angeregt werden. Die elektrisch getriebene
Lichterzeugung auf der Nanoskala reduziert den Platzbedarf dieser Systeme
erheblich und ebnet so den Weg für optische Nano-Schaltkreise. Allerdings
stellen sowohl die Lichtemission als auch die Kontaktierung der Nanostrukturen
erhebliche Herausforderungen dar. In dieser Arbeit werden verschiedene
elektrisch kontaktierte nano-optische Systeme vorgestellt. Eine zentrale Rolle
spielt dabei die Kontaktierung - nicht nur für die Lichterzeugung, sondern
auch für die Fabrikation der jeweiligen Strukturen. In einem ersten Beispiel
werden Nanoelektroden durch Anlegen einer Spannung selektiv mit molekularen
Monolagen beschichtet. Dadurch können die chemischen und elektronischen
Oberflächeneigenschaften von Nanoobjekten maßgeschneidert werden, was einen
zusätzlichen Freiheitsgrad bei der Entwicklung von optoelektronischen Nanosystemen
darstellt. Darüber hinaus ermöglicht die elektrische Kontaktierung
die Herstellung von Tunnelbarrieren mittels Dielektrophorese, was die Lichterzeugung
in verschiedenen nano-optischen Systemen durch inelastisches Elektronentunneln
ermöglicht. Hier werden zwei Strukturen diskutiert: optische
Yagi-Uda-Antennen und plasmonische Wellenleiter. Ihre ausgeklügelten Geometrien,
hergestellt aus einkristallinen Goldflocken mittels fokussiertem Ionenstrahl,
bestimmen die Eigenschaften des emittierten Lichts. Es wird gezeigt,
dass Yagi-Uda-Antennen das Licht gezielt in eine bestimmte Richtung abstrahlen,
während plasmonische Wellenleiter das Schalten zwischen zwei propagierenden
Moden ermöglichen. Damit demonstriert diese Arbeit das Potenzial von
elektrisch kontaktierten nano-optischen Systemen und wird - in Kombination
mit Dielektrophorese und selektiver Funktionalisierung - weitere Forschungen
auf dem Gebiet der Nano-Optoelektronik anregen. In diesem Zusammenhang
werden verschiedene zukünftige Experimente, von der Steuerung molekularer
Maschinen bis zur optischen Antennenkommunikation, diskutiert.
KW  - Nanooptik
KW  - Antenne
KW  - Nanometerbereich
KW  - Wellenleiter
KW  - Optischer Richtfunk
KW  - Nanoantenne
KW  - Nanoantenna
KW  - Self-assembled Monolayer
KW  - Nanoscale
KW  - Optical Antenna
KW  - Plasmonic Waveguide
KW  - Optische Antenne
KW  - Plasmonischer Wellenleiter
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-291140
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TY  - THES
A1  - Vogt, Matthias Guido
T1  - Elektronische Eigenschaften von Wabengittern mit starker Spin-Bahn-Kopplung
T1  - Electronic Properties of honeycomb lattices with strong spin-orbit coupling
N2  - Im Rahmen dieser Arbeit wurden die elektronischen Eigenschaften von Graphen auf Metalloberflächen mittels Rastertunnelmikroskopie und Quasiteilcheninterferenz (englisch quasiparticle interference, QPI)-Messungen untersucht. Durch das Verwenden schwerer Substrate sollte die Spin-Bahn-Wechselwirkung des Graphen verstärkt werden und damit eine Bandlücke am K-Punkt der Bandstruktur mittels QPI beobachtet werden. Um das Messen von QPI auf Graphen zu testen, wurde auf der Oberfläche eines SiC(0001)-Kristalls durch Erhitzen Graphen erzeugt und mit dem Rastertunnelmikroskop untersucht. Dieses System wurde schon ausführlich in der Literatur beschrieben und bereits bekannte QPI-Messungen von Streuringen, die auf den Dirac-Kegeln des Graphen am K-Punkt basieren, konnte ich auf gr/SiC(0001) in guter Qualität erfolgreich reproduzieren. Anschließend wurde Graphen nach einem wohlbekannten Verfahren durch Aufbringen von Ethylen auf ein erhitztes Ir(111)-Substrat erzeugt. Dieses gr/Ir(111)-System diente auch als Grundlage für Interkalationsversuche von Bismut (gr/Bi/Ir(111)) und Gadolinium (gr/Gd/Ir(111)) zwischen das Graphen und das Substrat. Auf gr/Bi/Ir(111) wurde ein schon aus der Literatur bekanntes Netzwerk aus Versetzungslinien beobachtet, dem zusätzlich eine Temperaturabhängigkeit nachgewiesen werden konnte. Beim Versuch, Gadolinium zu interkalieren, wurden zwei verschieden Oberflächenstrukturen beobachtet, die auf eine unterschiedlich Anordnung bzw. Menge des interkalierten Gadoliniums zurückzuführen sein könnten. Auf keinem dieser drei Systeme konnten allerdings Streuringe mittels QPI beobachtet werden. Als Vorbereitung der Interkalation von Gadolinium wurden dessen Wachstum und magnetische Eigenschaften auf einem W(110)-Kristall untersucht. Dabei konnte eine aus der Literatur bekannte temperaturabhängige Austauschaufspaltung reproduziert werden. Darüber hinaus konnten sechs verschieden magnetische Domänen beobachtet werden. Zusätzlich sind auf der Oberfläche magnetische Streifen auszumachen, die möglicherweise auf einer Spinspirale basieren. Als Grundlage für die mögliche zukünftige Erzeugung Graphen-artiger Molekülgitter wurde das Wachstum von H-TBTQ und Me-TBTQ auf Ag(111) untersucht. Die Moleküle richten sich dabei nach der Oberflächenstruktur des Silber aus und bilden längliche Inseln, deren Kanten in drei Vorzugsrichtungen verlaufen. Auf H-TBTQ wurde zudem eine zweite, Windmühlen-artige Ausrichtung der Moleküle auf der Oberfläche beobachtet. Auf den mit den Molekülen bedeckten Stellen der Oberfläche wurde eine Verschiebung des Ag-Oberflächenzustands beobachtet, die mit einem Ladungstransfer vom Ag(111)-Substrat auf die TBTQ-Moleküle zu erklären sein könnte.
N2  - In this thesis, the electronic properties of graphene on metal surfaces were investigated by scanning tunneling microscopy and quasiparticle interference (QPI) measurements. In order to enhance the spin orbital interaction of the graphene and possibly observe a band gap at the K-point of the band structure via QPI, substrates with heavy atoms were used. To test the ability to measure QPI on graphene, graphene was produced on the surface of a SiC(0001) crystal by heating and examined with a scanning tunneling microscope. This system has already been described in detail in the literature and I was able to successfully reproduce QPI measurements of clearly recognizable scattering rings, which are due to the Dirac cones of the graphene at the K-point Afterwards, graphene was produced by a well-known process by applying ethylene to a heated Ir(111) substrate. This gr/Ir(111) system also served as a basis for intercalation experiments of bismuth (gr/Bi/Ir(111)) and gadolinium (gr/Gd/Ir(111)) between the graphene and the substrate. On gr/Bi/Ir(111), a network of dislocation lines known from literature was observed, which also showed a temperature dependence. In the attempt to intercalate gadolinium, two different surface structures were observed which could be due to a different arrangement or quantity of the intercalated gadolinium. However, on none of these three systems scattering rings were observed by QPI. In preparation for the intercalation of gadolinium, its growth and magnetic properties were investigated on a W(110) substrate. A temperature-dependent exchange splitting of the surface density of states known from the literature could be reproduced. In addition, six different magnetic domains and magnetic stripes were observed on the surface, which may be based on a spin spiral. The growth of H-TBTQ and Me-TBTQ on Ag(111) was investigated as a basis for a possible subsequent generation of graphene-like molecular lattices in the future. The molecules are aligned to the surface structure of the silver and form elongated islands with edges in three preferred directions. H-TBTQ also appeared in a second, windmilllike orientation of the molecules on the surface. A shift of the Ag surface state was observed on the surface areas covered by the molecules, which might be explained by a charge transfer from the Ag(111) substrate to the TBTQ molecules.
KW  - Spin-Bahn-Wechselwirkung
KW  - Graphen
KW  - Rastertunnelmikroskopie
KW  - Wabengitter
KW  - Tribenzotriquinacen
KW  - Quasiteilcheninterferenz
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-207506
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TY  - THES
A1  - Grimm, Philipp Martin
T1  - Locally driven complex plasmonic nanoantenna systems
T1  - Lokal angetriebene komplexe plasmonische Nanoantennen-Systeme
N2  - 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.
N2  - Metallische Nanostrukturen besitzen die Fähigkeit, Resonanzen im sichtbaren Wellenlängenbereich zu unterstützen, die mit lokalisierten Oberflächenplasmonen in Verbindung stehen. Diese erzeugen hochverstärkte elektrische Felder in der unmittelbaren Nähe von Metalloberflächen. Nanopartikel mit dipolarer Resonanz strahlen zudem effizient in das Fernfeld ab und dienen somit als Antennen für Licht. Solche optischen Antennen wurden in den letzten zwei Jahrzehnten erforscht, allerdings hauptsächlich als eigenständige Einheiten, welche von externen Laserstrahlen angeregt werden, und in jüngerer Zeit als elektrisch getriebene Punktquellen, die jedoch lediglich über grundlegende Antenneneigenschaften verfügen. Diese Arbeit erweitert den aktuellen Stand von lokal getriebenen optischen Antennensystemen. In einem ersten Fallbeispiel wird das elektrische Antriebsschema einschließlich inelastischem Elektronentunneln über einen Nanometer-Spalt mit der Yagi-Uda-Theorie zusammengeführt. Das resultierende Antennensystem besteht aus einer passend verdrahteten, gespeisten Antenne, die einen Tunnelübergang enthält, sowie mehreren nahe gelegenen parasitären Elementen, deren Geometrie mit analytischen und numerischen Methoden optimiert wird. Experimentelle Befunde für eine ungeahnte Direktionalität der Lichtemission von einer Nanoantenne werden erbracht. Es werden Parallelen im Leistungsverhalten zwischen Radiofrequenz- und optischen Yagi-Uda-Anordnungen gezogen. Als zweites wird ein Paar elektrisch kontaktierter Antennen mit unterschiedlichen Resonanzen als Elektroden in einem Prototyp einer organischen lichtemittierenden nanoskaligen Diode eingesetzt. Das organische Material Zinkphthalocyanin, welches asymmetrische Injektionsbarrieren für Elektronen und Löcher aufweist, ermöglicht in Verbindung mit den Elektrodenresonanzen die Schaltbarkeit und Kontrolle der emittierten Wellenlänge und der Direktionalität bei Umkehr der Polarität der angelegten Spannung. In einer abschließenden Studie wird der nahfeldbasierte Antrieb von stäbchenförmigen Antennsystemen mittels eines Wellenleiters detailliert untersucht. Perfekte Impedanzanpassung, entsprechend einer verschwindenden Rückreflexion, wird erreicht, wenn die Antenne bei einer spezifischen Frequenz als verallgemeinerter kohärenter perfekter Absorber agiert. Hierbei nimmt sie die gesamte wellenleitergeführte Eingangsleistung, vermittelt durch ein Oberflächenplasmon, auf, und überträgt sie auf andere nichtstrahlende und strahlende Dissipationskanäle. Das kohärente Zusammenspiel von Verlusten und Interferenzeffekten erweist sich für dieses empfindliche Szenario, das systematisch für verschiedene Antennenmoden erzeugt wird, als äußerst wichtig. Mit Hilfe des hier entwickelten semi-analytischen Werkzeugsets werden auch komplexere Ketten aus Nanostäbchen untersucht, bei denen topologisch nichttriviale lokalisierte Randzustände auftreten. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse erleichtern die Entwicklung komplexer lokal angetriebener Antennensysteme für optische drahtlose Kommunikation auf einem Computerchip, Subwellenlängenpixel und verlustkompensierte integrierte plasmonische Nanoschaltkreise, welche sich bis auf das Gebiet der topologischen Plasmonik erstrecken.
KW  - Plasmonik
KW  - Nanooptik
KW  - Nanophotonik
KW  - Finite-Differenzen-Methode
KW  - OLED
KW  - Optical antenna
KW  - Directional emission
KW  - Zinc phthalocyanine
KW  - Coherent perfect absorption
KW  - Su-Schrieffer-Heeger chain
KW  - Optische Antenne
KW  - Gerichtete Abstrahlung
KW  - Zinkphthalocyanin
KW  - Kohärente perfekte Absorption
KW  - Su-Schrieffer-Heeger-Kette
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-303152
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