Coaxial Plasmonic Metamaterials for Visible Light M.A. van de Haar



Vergelijkbare documenten
Light trapping in thin-film solar cells using dielectric and metallic nanostructures M. van Lare

Samenvatting. Sub-diffractie optica

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

Periodic and Aperiodic Plasmon Lattice Lasers A.H. Schokker

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation

Tentamen Optica. 19 februari 2008, 14:00 uur tot 17:00 uur

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

Probing Light Emissions at the Nanoscale with Cathodoluminiscence B.J.M. Brenny

Samenvatting nanokristallen gedoteerde spectroscopie

in het verticale vlak. Deze waarden komen redelijk goed overeen met de gemeten waarden van respectievelijk 390 en 320 π mm mrad.

Cover Page. Author: Voltan, Stefano Title: Inducing spin triplet superconductivity in a ferromagnet Issue Date:

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

Samenvatting. Samenvatting

Three-Dimensional Visualization of Contact Networks in Granular Material C.E. Carpentier

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

Faculteit Biomedische Technologie Tentamen OPTICA (8N040) 16 augustus 2012, 9:00-12:00 uur

Uitwerkingen Tentamen Optica

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

The Color of X-rays. Spectral Computed Tomography Using Energy Sensitive Pixel Detectors E.J. Schioppa

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

Hoofdstuk 2 Appendix A hoofdstuk 3 hoofdstuk 4 (hoofdstuk 5)


Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation

Electron transport through single gold atoms and hydrogen molecules switching on the atomic scale Trouwborst, Marius Leendert

Wie is Simac? Simac Electronics

9. Nederlandse Samenvatting

Samenvatting. Introductie

Chapter 28 Bronnen van Magnetische Velden. Copyright 2009 Pearson Education, Inc.

Samenvatting. Figuur 1. Golven in de natuur.

Matthias Van Wonterghem, Pieter Vanhulsel Aluminium en hoge snelheid, een mooie toekomst?

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

Samenvatting EEN MID INFRAROOD ELLIPSOMETER

UvA-DARE (Digital Academic Repository) Magnetic optical scatterers and backaction. Kwadrin, A. Link to publication

Samenvatting. Inleiding

/14 /28 /28 /30 /100. Naam:.. Studentnr.:.. Resultaten: Totaal: Opgave 1 Opgave 2 Opgave 3 Opgave 4

Supersymmetric Lattice Models. Field Theory Correspondence, Integrabillity T.B. Fokkema

Formules en begrippen Okt 2006

Citation for published version (APA): van der Eb, J. W. (2000). Cerium, one of nature's purest puzzles Groningen: s.n.

Figuur 1. Representatie van de dubbele helix en de structuren van de verschillende basen.

Dynamics of Water Interacting with Biomolecules C.C.M. Groot

Schriftelijk examen: theorie en oefeningen Fysica: elektromagnetisme

Basisprincipes glasvezelcommunicatie

Tentamen Optica. 20 februari Zet je naam, studentennummer en studierichting bovenaan elk vel dat je gebruikt. Lees de 6 opgaven eerst eens door.

Hoofdstuk 2 Hoofdstuk 3 Hoofdstuk 4

in een isolator? Dr. Erik van Heumen

TENTAMEN INLEIDING ASTROFYSICA WOENSDAG 14 DECEMBER,

Uitwerkingen Tentamen Optica

Faculteit Technische Natuurkunde Tentamen OPTICA voor BMT (3D010) 22 juni 1999, 14:00-17:00 uur

Dutch summary. Nederlandse samenvatting. Een bijdrage aan de grijp-puzzel

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

Huygens Institute - Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences (KNAW)

Eindronde Natuurkunde Olympiade practicumtoets deel: Omvallend melkpak

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation

Antwoorden Tentamen Fysica van de Vaste Stof woensdag 2 maart 2011, uur

Je weet dat hoe verder je van een lamp verwijderd bent hoe minder licht je ontvangt. Een

Na(3s) Na(3p) He(1s 2 )+hν(58 nm) + Na +

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

Uitwerkingen Hertentamen Optica

FACULTEIT TECHNISCHE NATUURWETENSCHAPPEN Opleiding Technische Natuurkunde TENTAMEN

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

Ecologische risicobeoordeling is gericht op het voorspellen van nadelige. effecten van stoffen op natuurlijke populaties. In het algemeen wordt

GridPix: Development and Characterisation of a Gaseous Tracking Detector W.J.C. Koppert

Flying Sensor Rapport

Citation for published version (APA): Winters, D. F. A. (2004). Polarization transfer in ion-surface scattering Groningen: s.n.

University of Groningen. Electron Holography of Nanoparticles Keimpema, Koenraad

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

FACULTEIT TECHNISCHE NATUURKUNDE. Kenmerk: /Gor/Hsa/Rrk. Datum: TENTAMEN

Chapter 8b Samenvatting Een katalysator is een stof die de snelheid van een chemische reactie verhoogt, zonder daarbij zelf verbruikt te worden. Boven

Het gezichtsvermogen is één van de meest krachtige zintuigen die we bezitten. Met onze ogen kunnen we, behoorlijk gevoelig, interacties waarnemen

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation

Statistiek voor Natuurkunde Opgavenserie 4: Lineaire regressie

Schriftelijk examen: theorie en oefeningen Fysica: elektromagnetisme

Verslag practicum vaste-stoffysica: De karakteristieken van een H-α zonnefilter

Opgave Zonnestelsel 2005/2006: 7. 7 Het viriaal theorema en de Jeans Massa: Stervorming. 7.1 Het viriaal theorema

Clusters van sterrenstelsels

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

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

NEDERLANDSE SAMENVATTING

TWEEDE RONDE NATUURKUNDE OLYMPIADE 2017 TOETS APRIL :00 12:45 uur

Self-Assembly via Anisotropic Interactions. A.C. Newton

Lichtmeting aan LED verlichting

Summary in Dutch. Samenvatting

Samenvatting Inleiding

Samenvatting. Injectie van SiC deeltjes in Al

Daidalos bouwfysisch ingenieursbureau

Citation for published version (APA): Shen, C. (2006). Wave Propagation through Photonic Crystal Slabs: Imaging and Localization [S.l.]: s.n.

TENTAMEN. x 2 x 3. x x2. cos( x y) cos ( x) cos( y) + sin( x) sin( y) d dx arcsin( x)

De Large Hadron Collider 2.0. Wouter Verkerke (NIKHEF)

Opgave 1 Vervormd vierkant kristal en elektronische structuur (totaal 24 punten)

Nieuwe lichtbronnen en optiek voor perfecte lichtcontrole. Youri Meuret

Hoofdstuk 22 De Wet van Gauss

spectrograaf. Omgekeerd, de horizontale spleet kan men zien als een horizontale balk in de pupil van het gemeten oog. Alleen het licht afkomstig uit

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation

Transcriptie:

Coaxial Plasmonic Metamaterials for Visible Light M.A. van de Haar

Samenvatting Optische metamaterialen zijn kunstmatige materialen opgebouwd uit elementen die typisch kleiner zijn dan de golflengte van licht. Deze materialen kunnen optische eigenschappen bezitten die niet bestaan in natuurlijke materialen. Vaak worden metamaterialen gemaakt uit bouwelementen bestaande uit kleine, resonante structuren van edelmetaal die interactie kunnen hebben met de electrische en magnetische componenten van licht. Voor toepassingen in het zichtbare gebied hebben deze metamaterialen echter een aantal beperkingen. Ten eerste worden ze in dit golflengtebereik gekenmerkt door hoge verliezen, en ten tweede is het bijna onmogelijk om deze resonante structuren te fabriceren op de vereiste nanometer schaal. In dit proefschrift beschouwen we een alternatief metamateriaalontwerp, een zogenaamd plasmonisch metamateriaal, dat bestaat uit ultra-dunne lagen van afwisselend metaal en dielectrisch materiaal. De effectieve brekingsindex wordt in dit metamateriaal bepaald door de koppeling van oppervlaktegolven (plasmonen) die propageren op de grensvlakken van het metaal en dielectrisch materiaal. In dit proefschrift bestuderen we de optische eigenschappen van een driedimensionale geometrie die polarizatie-onafhankelijk is. Deze bestaat uit holle Si cylinders die zijn gerangschikt in een hexogenaal rooster, ingebed in metaal. De dispersie van dit metamateriaal kan worden gecontroleerd door de geometrie en de koppeling tussen de coaxiale lichtgeleiders aan te passen. In dit proefschrift laten we zien hoe dit metamateriaal kan worden gemaakt en bepalen we de optische eigenschappen. In Hoofdstuk 2 beschrijven we het fabricageproces van het coaxiale metamateriaal in detail. Het proces is een combinatie van electronenbundellithografie, plasma-etsen, metaalinvulling en het polijsten van het oppervlak met een ionenbundel. We demonstreren hoe dit metamateriaal succesvol gerealiseerd kan worden met cylinders bestaande uit Si of waterstof silsesquioxane (HSQ), verzonken in goud of zilver. We hebben cylinders gemaakt met een buitendiameter variërend van 100 nm tot 1 µm en verschillende dielectrische kanaalbreedtes, de kleinste was slechts 7 nm. 3

Samenvatting In Hoofdstuk 3 onderzoeken we de optische eigenschappen van het metamateriaal, zowel experimenteel als theoretisch. We berekenen de dispersie van een enkele plasmonische coaxiale lichtgeleider, waarbij de materialen en de dimensies worden gevarieerd. Hieruit concluderen we dat de dispersie met name erg gevoelig is voor de dielectrische kanaalbreedte. Met de verkregen inzichten ontwerpen we een geometrie die een negative mode index kan hebben. Deze geometrie bestaat uit Si cylinders met een buitendiameter van 150 200 nm en een kanaalbreedte van 10 30 nm en is verzonken in Ag. Ook bestuderen we koppeling tussen de coaxiale lichtgeleiders die in een hexagonaal rooster zijn gerangschikt. Hierbij vinden we dat het transmissiespectrum verandert voor ring-tot-ring-afstanden van minder dan 75 nm, terwijl de dispersie significant gaat afwijken voor afstanden kleiner dan 50 nm. Om deze bevindingen te ondersteunen, meten we de Fabry-Pérot resonanties in een 100 nm dik metamateriaal met cathodoluminiscentiespectroscopie. Hoofdstuk 4 beschrijft optische interferometriemetingen op een coaxiaal plasmonisch metamateriaal in het zichtbare spectrale gebied. We laten zien dat zowel de gemeten als gesimuleerde data consistent zijn met een negatieve mode-index in het golflengtegebied λ =440 500 nm. Ook bewijzen we experimenteel dat het metamateriaal zich polarizatie-onafhankelijk gedraagt. Hoofdstuk 5 laat zien hoe de plasmonische-nanoaperturen in het metamateriaal gebruikt kunnen worden om door middel van de lichtkracht kleine deeltjes vast te houden. De opsluiting van het licht in het kleine gebied binnen in de coaxen resulteert in grote optische krachten en geometrisch kleine potentiaalputten in het nabije-veld van de aperturen. We onderzoeken numeriek hoe de optische krachten afhankelijk zijn van de coaxgeometrie en vinden dat nanodeeltjes met een diameter van 10 nm en een brekingsindex van n = 2 stabiel kunnen worden vastgehouden met een laserpower van slechts 6 mw. Ook laten we zien dat de optische krachten nauwelijks veranderen als Au gebruikt wordt in plaats van Ag. Het plaatsen van de aperturen in een rooster heeft ook slechts een kleine invloed op de lichtkracht. We beschrijven hoe de optische krachten kunnen worden gemeten met een AFM, en laten de eerste experimentele resultaten zien. In Hoofdstuk 6 bestuderen we de geometrische resonanties van holle Si cylinders. We laten zien dat het introduceren van een gat in het midden van een Si cylinder met een buitendiameter van 100 250 nm slechts een kleine invloed heeft op de electrische dipool (ED) en magnetische dipool (MD) modes zoals die bekend zijn in Si cylinders zonder gat. We vinden dat de MD mode kan bestaan tot een gatdiameter van 190 nm, wat overeenkomt met een Si wanddikte van slechts 40 nm. We fabriceren holle nanocylinders met een buitendiameter van 108 251 nm, waarbij we gebruik maken van electronenbundellithografie en plasma-etsen. Het spectrum van de gefabriceerde deeltjes is gemeten met cathodoluminescentieen donkereveldspectroscopie. Verder onderzoeken we op systematische wijze de trends van de verstrooiingsdoorsnede voor verschillende cylindergeometrieën. De gatgrootte is een interessante aanvullende parameter waarmee de resonantiespectra, en het stralingspatroon in het verre veld, kunnen worden gecontroleerd. We 4

Samenvatting vinden goede overeenkomsten tussen theorie en de experimenten. Samenvattend geeft dit proefschrift inzicht in de optische eigenschappen van coaxiale plasmonische metamaterialen op een experimentele en theoretische wijze. We laten zien dat dit metamateriaal zo kan worden ontworpen dat het een negative brekingsindex heeft. We exploreren het gebruik van de plasmonische structuren als optisch pincet waarmee nanoschaaldeeltjes kunnen worden gevangen. 5

The work described in this thesis was performed at the FOM-Institute AMOLF, Science Park 104, 1098 XG Amsterdam, The Netherlands.