Der mikroskopische Ursprung der Transmission durch plasmonische Metaflächen

Helle und dunkle Moden auf plasmonischen MetaflächenMetamaterialien lassen sich aufgrund ihrer mikroskopischen oder nanoskopischen Struktur gezielt mit bestimmten Eigenschaften versehen. Im Bereich der Optik hat in letzter Zeit insbesondere die Klasse der zweidimensionalen plasmonischen Metamaterialien, sogenannter Metaflächen, besonderes Interesse erregt. Schichten dieser Materialien, die nur wenige zehn Nanometer dünn sind erlauben es Wissenschaftlern, die Phase und die Absorption einer durch das Material hindurchlaufenden elektromagnetischen Welle gezielt und bisher unerreicht flexibel zu verändern.

In einem gerade veröffentlichten Artikel in der Fachzeitschrift Advanced Optical Material, nehmen wir die mikroskopischen Prozesse unter die Lupe, die bei ultradünnen (10 Nanometer) gezielt strukturierten Silberschichten auftreten. Hierzu untersuchten wir entsprechende Proben mit einem optischen Nahfeldmikroskop (Near-Field Scanning Optical Microscope, NSOM) und verglichen unsere Ergebnisse mit Simulationen.

Wir strukturierten die ultradünnen Filme mit einem Fokussierten Ionenstrahl (Focused Ion Beam, FIB), einer verbreiteten Nanostrukturierungstechnik, bei der ein ultrafeiner Strahl beschleunigter Gallium-Ionen im Vakuum in einem kontrollierten Muster die Oberfläche des Films trifft und dabei Metall-Cluster abträgt. Hiermit erzeugten wir ein Gitter mit Strukturgrößen von wenigen zehn Nanometern, tief unterhalb der Wellenlänge sichtbaren Lichts.

Durch die richtige Wahl der Strukturgrößen tritt für Licht, das diese dünnen Filme durchtritt ein physikalisch sehr interessanter Effekt auf:

Außerordentliche unterdrückte Transmission (Extraordinary Suppressed Transmission, EOST): Kontraintuitiv durchdringt bei einer bestimmten, resonanten Wellenlänge weniger Licht den Metallfilm mit Löchern als denselben Metallfilm ohne Löcher.

Die EOST ist der komplementäre Effekt zur außerordentlichen Transmission (extraordinary transmission, EOT), bei dem entsprechend Strukturierte dünne Filme mehr Licht transmittieren als aufgrund der Fläche der Löcher erwartet würde.

EOT wurde in den letzten Jahren ausgiebig untersucht und mit Modellen erklärt. Bisher war allerdings nicht klar, welche Art mehreren möglichen optischen Resonanzen EOST verursacht, Anregungen wie bei Antennen, die Anregung von Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (SPPs), die gebunden den Metallfilm entlang laufen oder resonante Moden, deren Feld sich innerhalb der Lücken im Film befindet.

Durch unsere Analyse fanden wir verschiedene Arten von plasmonischen Resonanzen in den EOST-Metaoberlächen und wir waren in der Lage, diese durch Fernfeldmessungen anzuregen und zu charakterisieren. Zusätzliche gebundene Moden konnten wir mit Nahfeldmessungen mittels eines NSOMs untersuchen.

Wir identifizierten zwei Arten von Moden: "Helle" Moden, die sich aus dem sich frei ausbreitenden sichtbaren Licht anregen lassen und den EOST-Effekt verursachen und "dunkle" Moden, die sich nur aus dem Nahfeld mit Hilfe eines NSOM anregen und detektieren lassen. Die "hellen" Moden, die EOST verursachen konnten wir eindeutig als antennenartige Moden charakterisieren, bei denen das elektromagnetische Feld auf den Metallstegen eines feinen Gitters lokalisiert schwingt.
Offensichtlich wird EOST also durch einen grundlegend anderen Prozess erzeugt als EOT.
Die "dunklen" Moden dagegen propagieren auf der Metaoberfläche. Wir konnten zeigen und quantifizieren, wie sich diese Wellen anisotrop durch das Subwellenlängengitter steuern lassen und in verschiedene Richtungen unterschiedlich gut ausbreiten.

Diese grundlegenden Ergebnisse können zu einem tieferen Verständnis dieses neuen Typs von Metamaterialien beitragen. Dabei gehen die Anwendungen von Metaoberflächen über die Grundlagenforschung hinaus. Insbesondere EOST kann dazu genutzt werden, dünnere, effektivere Masken für die optische Lithographie für die Mikrochipherstellung zu ermöglichen, wo immer kleinere Strukturen für immer schnellere und Kompaktere Prozessoren benötigt werden.

Artikel

Sabine Dobmann*, Arian KrieschDaniel Ploss and Ulf Peschel
Near-field analysis of bright and dark modes in plasmonic metasurfaces showing extraordinarily suppressed transmission
Advanced Optical Materials, 2 (6) (2014); Download: doi:10.1002/adom.201400237.