Johannes Kern

• 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.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.…
• 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. DieNanoantennen 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.…