Photolumineszenzspektroskopie der ZnO-antenpunkte im Pfostenreso-

ZnO-antenpunkte im Pfostenresonator

Der dreidimensionale Einsluss des Litfeldes im Resonator wird mit Photolumineszenz-messungen nagewiesen. Die Anregung gesieht spektral außerhalb des Stoppbandes miels eines HeCd-Lasers bei 325 nm im Maximum des ersten Reflektionstales (siehe Ab-bildung 4.3).

4.2 Photolumineszenzspektroskopie der ZnO-antenpunkte im Pfostenresonator

1 µm

3 µm

SEM images

Abbildung 4.6: Rasterelektronenmikroskopise Aufnahme zweier UV-Mikroresonatoren mit Durmessern von 3.2µm bzw. 0.6µm, die mit einem fokussierten Ionenstrahl geätzt wurden. Das eingebeete Bild rets unten zeigt einen ersni dur den Resonator aus SiO₂/HfO₂-Bragg-Spiegeln mit eingebeeten ZnO-antenpunkten (aus [o08b]).

Der Anregungslaser wird mit einem UV-Objektiv mit einer numerisen Apertur von NA = 0.5auf die einzelnen Pfostenresonatoren fokussiert. Die NA-Anpassung gesieht dabei dur Defokussierung. Dadur wird die Fokusgröße verändert und auf maximales Photolumineszenzsignal justiert. Dasselbe Objektiv wird au zur Aufsammlung der Photo-lumineszenzemission genutzt. Na einem romatisen Strahlteiler, der das Anregelit filtert, wird das Emissionslit in einem Halbmeter-Monoromator spektral aufgespalten und mit einer verstärkten, gekühlten CCD-Kamera detektiert (siehe Abbildung 4.7). Auf Grund des Eingangspalts am Monoromator besteht das Messsignal aus der räumlien Information in vertikaler Ritung und der spektralen Information in horizontaler. Die Pro-be wird in einem He-Flusskryostaten auf einer Temperatur vonT =10 K gehalten.

Abbildung 4.8 zeigt die Grundmode und höhere Moden im Pfostenresonator. Ein spektral flaer Hintergrund dur Lumineszenz des BK7-Substrats wurde abgezogen. Die spektrale Position der Grundmode istλ=368.4 nm mit einer Güte vonQ= 580. Die erste angeregte Mode bei λ=367.6 nm mitQ= 390zeigt dabei eine andere räumlie Verteilung als die erste.

Zur Berenung der spektralen Position der Moden wird ein effektiver Breungsindex zur Besreibung der dielektrise Vielsitstruktur angenommen, wobei dabei der Emit-ter vernalässigt wird. Nun kann na [Kah07] die räumlie und spektrale Position der Moden berenet werden. Abbildung 4.8 zeigt die bereneten räumlien Modenstruktu-ren, darunter sind die bereneten spektralen Positionen dur rote Linien gekennzei-net. Der Eingangsspalt des Monoromators bildet in vertikaler Ritung einen ein Mi-krometer breiten Streifen des Pfostenresonators ab. Das entsprit dem ersni dur

Abbildung 4.8 oben. Die spektrale Versiebung der HE_1,1-Mode zu kürzeren

Wellenlän-confocal

Abbildung 4.7: Photolumineszenz- und Transmissionsauau zur optisen Charakterisie-rung der UV-Mikroresonatoren.

gen im Verglei zum planaren Resonator zeigt den dreidimensionalen Liteinsluss der Litemission der ZnO-antenpunkte. Dur die große Anzahl der antenpunkte mit versiedenen Emissionswellenlängen innerhalb des Resonators sind no weitere höhere Moden zu erkennen.

Beim Verglei von Abbildung 4.2, die das Emissionsspektrum der ZnO-antenpunkte ohne Resonator zeigt und Abbildung 4.8, die sie innerhalb des Mikropfostens zeigt, lässt si

die Sitbarkeit höherer Moden erklären. Die Nanoemier sind in der Mie der Kavität in der vertikalen Ritung positioniert, horizontal aber homogen in der x-y-Ebene verteilt.

Da sie dur die zufällige Orientierung der ZnO-antenpunkte in einen großen Winkel-berei emiieren können, werden prinzipiell alle Moden innerhalb des Pfostenresonators angeregt. No höhere Moden können nit angeregt werden, da keine antenpunkte und damit Photolumineszenz in diesem Spektralberei zur Verfügung steht. Dies resultiert aus der endlien Breite der Größenverteilung der antenpunkte. Die Emission aus dem

lang-4.2 Photolumineszenzspektroskopie der ZnO-antenpunkte im Pfostenresonator

Wavelength (nm) Position (µm) µ-PL emission

HE01 / HE21 HE11 HE31

HE12

Abbildung 4.8: Unten: Räumli und spektral aufgelöste Photolumineszenz von

ZnO-antenpunkten in einem dielektrisen Säulenresonator mit 3µm Durmesser. Rot mar-kiert ist die berenete spektrale Position der geführten Moden. Oben: Analytis bere-nete elektrise Feldverteilung in der x-y-Ebene im Säulenresonator.

welligen Teil unterhalb der Grundmode wird unterdrüt, da dort keine geführten Moden im Resonator vorhanden sind.

Unsere Messungen zeigen den ersten Pfostenresonator mit eingebeeten Halbleiterquan-tenpunkten, die im ultravioleen Spektralberei emiieren. Dur die Verwendung dielek-triser Spiegel, kolloidaler antenpunkte und Prozessierung miels fokussiertem Ionen-strahl konnten Probleme von rein epitaktis hergestellten Proben, wie zum Beispiel das Aueben von Spannungen in der Mielsit dur das Wasen der antenpunkte umgangen werden. Mit dem großen Potential, das kolloidale ZnO antenpunkte besit-zen und der gezielten Anregung in einer geführten Mode in Pfostenresonatoren, ergeben si viele neue Möglikeiten. So zum Beispiel ist die Einbeung eines einzelnen anten-punktes oder das Einfügen magnetis dotierter Nanoemier ein möglies Ziel. Dies kann zu robusten Einzelphotonenemiern bei Raumtemperatur und neuen Anwendungen in der Spintronik führen.

Kapitel 5

Plasmonen-Mikrointerferometer

5.1 Einleitung

IncidentLaserBeam

Surface Plasmon

Abbildung 5.1: Rasterelektronenmikroskopise Aufnahme des ersnis dur eine Slitz- / Nutstruktur in einem 200 nm dien Goldfilm auf einem Glassubstrat. Die inneren Kanten der Struktur haben eine Radius von 20 nm und sind damit in der Größenordnung einzelner Metallkristallite. Sematis ist der einfallende Laserstrahl und das dadur an-geregte Plasmon, dass von der Nut zum Slitz läu dargestellt.

Oberfläenplasmonen treten als kollektive elektro-magnetise Anregungen an der Grenz-fläe eines Metalles und eines Dielektrikums auf. Sie können dur das Litfeld in das Metall eingekoppelt werden und zeinen si dur ihr elektrises Feld im Metall und im Dielektrikum aus. Mit ihnen ist es mögli, starke Feldüberhöhungen dur den Anten-neneffekt zu erzeugen, die viele Anwendungen zum Beispiel in der Sensorik vorantreiben.

Oberfläenplasmonen können an Defekten oder Kanten in Metallfilmen angeregt werden, da dort eine phasengleie Auslenkung stafindet und dadur ein Dipol an den Kanten erzeugt werden kann. Damit ist es mögli, dass si ebene Plasmonenwellen in diesen

Filmen ausbreiten. Leitungsverluste im Metall führen zu einer Dämpfung und sind stark abhängig von der Wellenlänge.

Der komplexe Wellenvektor der Oberfläenplasmonen reagiert stark auf Änderungen des Dielektrikums. Nanoskopise Litemier wie Halbleiterquantenpunkte [Pac07], Mo-leküle, Polymere oder komplexe emise Verbindungen, wie au biologise Systeme wie einzelne Zellen lassen si auf diese Weise arakterisieren und detektieren. Nanostruk-turierte Metalloberfläen sind eine Vorraussetzung für die Miniaturisierung von plasmo-nisen Sensoren.

Abbildung 5.2: Illustration der Funktionsweise eines Plasmoneninterferometers:

Oberflä-enplasmonen breiten si von der Nut zum Slitz aus und interferieren dort mit dem eingestrahlten Laserlit.