Optical response of nanohybrids: effects of exciton-plasmon interaction Nugroho, Bintoro Siswo

Transcriptie

1 University of Groningen Optical response of nanohybrids: effects of exciton-plasmon interaction Nugroho, Bintoro Siswo IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below. Document Version Publisher's PDF, also known as Version of record Publication date: 2016 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Nugroho, B. S. (2016). Optical response of nanohybrids: effects of exciton-plasmon interaction [Groningen]: Rijksuniversiteit Groningen Copyright Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Take-down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date:

2 Samenvatting De wisselwerking tussen licht en materie op nanoschaal is niet alleen van wetenschappelijk belang, maar is ook relevant voor de ontwikkeling van nieuwe technologieën. In het sub-golflengte regime interacteert materie op een specifieke manier met licht. Dit veroorzaakt interessante en nieuwe eigenschappen. De grootte-afhankelijke interactie biedt de mogelijkheid om nieuwe eigenschappen te beheersen en te gebruiken voor een veelheid aan toepassingen. Deze kunnen gebruikt worden om enkele fundamentele problemen op te lossen waar de moderne optische technologie mee geconfronteerd wordt, zoals de Abbe difractielimiet, energiedissipatie en bandbreedtelimitaties. Recente ontwikkelingen in de technieken van nanofabricage en -metingen hebben fascinerende mogelijkheden geopend om precies ontworpen nanostructuren te creëren en deze tot in groot detail te bestuderen. Hybride nanostructuren, die bestaan uit nano-objecten van verschillende aard, zijn een interessante klasse van systemen met ongewoon gedrag. De hybridisatie gebruikt het idee om te profiteren van de combinatie van de meest prominente eigenschappen van de onderdelen en hun wederzijdse interactie om zo nieuwe optische eigenschappen te verkrijgen, die niet met hun homogene tegenhangers verkregen kunnen worden. Tussen een aantal bestudeerde nanohybriden hebben systemen die bestaan uit halfgeleidende quantum emitters en metalen nanodeeltjes veel aandacht getrokken. De intrigerende eigenschappen van deze systemen worden veroorzaakt door de hybridisatie van verschillende soorten optische excitaties: excitonen in quantum emitters (QE) en plasmonen in metalen nanodeeltjes (MNP, van het Engelse metal nanoparticles ). Het is aangetoond dat de exciton-plasmon interactie fascinerende nieuwe fenomenen kan veroorzaken, zoals de nabije-veldgeassisteerde enorme vergroting van de optische respons, optische bistabiliteit op nanoschaal, en vele andere, die potentiële toepassing zouden kunnen hebben in de ontwikkeling van actieve nanofotonische apparaten en metamaterialen (bij-

3 100 Samenvatting voorbeeld enkele-foton bronnen, biosensoren, optische schakelaars, enzovoorts). Dit proefschrift is gewijd aan een studie van de optische respons van nanohybriden van een QE gekoppeld aan een bolvormige MNP. Het hele systeem wordt aangedreven door een continue nabij-resonante optische golf. We bestuderen in detail hoe de verschillende elektromagnetische interacties met en tussen de onderdelen de optische respons van het systeem beïnvloeden. Een theoretisch formalisme voor de beschrijving van de interactie tussen licht en de MNP en QE, en voor de MNP-QE koppeling, wordt geadresseerd in Hoofdstuk 1. In het geval van de MNP veroorzaakt de interactie met licht excitatie van gelokaliseerde oppervlakteplasmons (LSP s). We behandelen LSP s binnen het klassieke raamwerk gebaseerd op MNP polariseerbaarheid. Hierbij gebruiken we de quasistatische benadering waarbij het probleem gereduceerd wordt tot dat van een deeltje in een homogeen elektrostatisch veld. Dit is te rechtvaardigen wanneer de grootte van de MNP veel kleiner is dan de optische golflengte. Daarentegen dient de interactie tussen licht en quantum emitter volledig kwantummechanisch behandeld te worden. Het formalisme van de dichtheidsmatrix wordt gebruikt zodat relaxatie correct beschreven kan worden. We beginnen onze analyse van de optische respons van een nanohybride (Hoofdstuk 2) met het beschouwen van een heterodimeer die bestaat uit een bolvormige halfgeleidende quantum dot (SQD) die gekoppeld is aan een gouden MNP. De koppeling tussen de SQD en MNP resulteert in een zelf-actie van de SQD via de MNP, gekarakteriseerd door een complexe koppelingsparameter G R + ig I. Dit biedt een feedbackmechanisme, wat bistabiliteit en hysteresegedrag van de optische respons van het systeem veroorzaakt. We leggen de verschillende fysische betekenissen bloot van de reële en imaginaire delen van de koppelingsconstante, die twee verschillende mechanismen van SQD-MNP bistabiliteit impliceren. Het reële deel resulteert in de populatie-afhankelijke resonantiefrequentie van de SQD, terwijl het imaginaire deel de destructieve interferentie beschrijft tussen het inkomende veld en het secundaire veld dat geproduceerd wordt door de SQD. Wanneer beide delen ongelijk aan nul zijn ontstaat een gecompliceerde wisselwerking tussen de twee mechanismen. Het fasediagram van de bistabiliteit in de parameterruimte [G R, G I ] wordt berekend. Verder wordt de schakeltijd de lagere naar de hogere stabiele takken en vice versa als een functie van de intensiteit van het drijvende veld onderzocht. Bij de bovenste kritische schakelintensiteit vonden we een machtswet afhankelijkheid met een universele exponent. De schakeltijd in de nabijheid van het lagere kritische wis-

4 Samenvatting 101 selpunt vertoont niet hetzelfde opmerkelijke gedrag. Berekeningen aan een heterodimeer dat bestaat uit een CdSe quantum dot een een Au nanodeeltje wijzen in de richting van de mogelijkheid om bistabiel gedrag van de optische respons in ook in de praktijk te realiseren. In Hoofdstuk 3 behandelen we een complexer hybride systeem: een symmetrisch dimeer gekoppeld aan een zilveren MNP. Het dimeer bestaat uit twee identieke kwantumemitters en gedraagt zich als een optisch drie-niveau ladder systeem met een grondtoestand, een symmetrische optisch heldere een-exciton toestand, en een dubbel ge-exciteerde toestand. De asymmetrische een-excitontoestand is optisch donker en kan genegeerd worden. We vonden dat in een bepaald bereik van systeemparameters, de hybride bistabiliteit kan vertonen gerelateerd aan de een-exciton transitie en niet aan de twee-exciton transitie. Beide transities vertonen een versterking vanwege de nabijheid van het dichtbij gelegen MNP, waardoor het hybride systeem verzadiging vertoont bij veldintensiteiten die significant lager liggen dan bij een geïsoleerd dimeer. We hebben ook het absorptiespectrum van het dimeer onderzocht. In het lineaire regime vertoont het spectrum een Fano-achtige vorm. De spectrale positie en vorm van het absorptiespectrum hangen af van de afstand tussen de een-exciton en de plasmon resonanties, en ook van de verhouding van de exciton-plasmon koppeling en de defaseringsconstante van het exciton. Wanneer de veldintentsiteit verder wordt verhoogd, wordt de Fano-achtige singulariteit in het absorptiespectrum uitgesmeerd en verdwijnt hij door verzadiging van het dimeer, wat ertoe leidt dat de MNP het absorptiespectrum van de hybride domineert. Hierdoor kan de Fano-achtige vorm van het absorptiespectrum van de hybride worden aangepast door controle over de spectrale en ruimtelijke afstand tussen beide onderdelen en door het veranderen van de intensiteit van het licht. In tegenstelling tot vele voorgaande studies, waarbij de SQD behandeld is als een systeem met twee niveau s, behandelen we in Hoofdstuk 4 de niet-lineaire optische respons van een SQD als een ladder-achtig systeem van drie niveau s, sterk gekoppeld aan een MNP door middel van optische overgangen tussen de grond-, een-exciton en bi-exciton toestanden. We laten zien dat, afhankelijk van de systeemparameters, de SQD-MNP-hybride zelf-oscillaties en quasi-chaotisch gedrag kan vertonen naast bistabiliteit onder een continue excitatie met een enkele frekwentie. De dynamica wordt bepaald door twee terugkoppelingsparameters waarvan de waarden complexe getallen zijn. De reële en imaginaire delen van deze terugkoppelingsparameters bepalen verschillende scenario s van

5 102 Samenvatting de samengestelde optische respons. We schrijven de fysische verklaring van de instabiliteiten toe aan de competitie tussen de grond-naar-een-exciton en de exciton-tot-twee-exciton transities, gedreven door de zelf-actie van de quantum dot via het metalen nanodeeltje. We hebben berekeningen uitgevoerd aan een modelsysteem dat in de praktijk gerealiseerd kan worden: een heterodimeer dat bestaat uit een dicht bij elkaar geplaatste ZnS/ZnSe kern-schil quantum dot en een zilveren nanobol. Een andere kandidaat om de bistabiliteiten te bestuderen zou een heterodimeer zijn bestaande uit een In x Ga 1 x As/GaAs quantum dot een een driehoekige zilveren nanodeeltje, absorberend in een wijd spectraal bereik, van het zichtbare licht tot het infrarood. Belangrijk is dat de periode van zelf-oscillatie afhangt van de sterkte van het toegepaste veld en tot aan het sub-picoseconde regime kan worden verlaagd. Potentieel zou een SQD-MNP heterodimeer in zijn onstabiele regime dus een afstembare nanogenerator kunnen zijn van treinen van ultrakorte optische pulsen, wat interessant kan zijn voor praktische toepassing in nano-apparaten. In dit werk hebben we de effecten van de exciton-plasmon koppeling op de optische respons van nanohybriden bestudeerd. We hebben een semiklassieke benadering gebruikt, waarbij de MNP klassiek wordt behandeld binnen het raamwerk van zijn polarizeerbaarheid, terwijl de QE kwantummechanisch wordt behandeld met het formalisme van de dichtheidsmatrix. We beschouwen de simpelste nanohybriden in dit proefschrift. In toekomstig onderzoek zal het uitdagend zijn om de optische respons van een uitgebreider systeem te beschouwen, dat uit een groot netwerk van QE-MNP hybrides bestaat [157]. Een andere openstaande vraag die geadresseerd moet worden is het effect van de excitonplasmon koppeling in het twee-foton proces, zoals de twee-foton Rabi oscillatie en absorptie. Tenslotte, ook al is de semiklassieke beschrijving adequaat voor de meeste toepassingen, er zijn belangrijke uitzonderingen, waar deze behandeling onvoldoende is om accuraat de fysica te beschrijven. Voorbeelden zijn spontane emissie, de Lambverschuiving, resonantiefluorescentie, enzovoorts [158]. Om deze fenomenen in nanohybriden te bestuderen is een volledig kwantummechanische beschrijving noodzakelijk, dat wil zeggen de veldkwantisatie en kwantummechanische beschrijving van de MNP.