Nahfeld-induzierte Elektronenemissions-Mikrospektroskopie an stark gekoppelten Plasmonen und metallischen Mikrostrukturen

Plasmonen stellen elektromagnetische Moden in metallischen Strukturen dar, in denen die quasifreien Elektronen im Metall kollektiv oszillieren. Während des letzten Jahrzehnts erfuhr das Gebiet der Plasmonik eine rasante Entwicklung, basierend auf zunehmenden Fortschritten der Nanostrukturierungsmethoden und spektroskopischen Untersuchungsmethoden, die zu der Möglichkeit von systematischen Einzelobjektuntersuchungen wohldefinierter Nanostrukturen führte. Die Anregung von Plasmonen resultiert neben einer radiativen Verstärkung der optischen Streuintensität im Fernfeld in einer nicht-radiativen Überhöhung der Feldstärke in unmittelbarer Umgebung der metallischen Struktur (Nahfeld), die durch die kohärente Ladungsansammlung an der metallischen Oberfläche hervorgerufen wird. Das optische Nahfeld stellt folglich eine bedeutende Größe für das fundamentale Verständnis der Wirkung und Wechselwirkung von Plasmonen sowie für die Optimierung plasmonbasierter Applikationen dar. Die große Herausforderung liegt in der Kompliziertheit des experimentellen Zugangs zum Nahfeld, der die Entwicklung eines grundlegenden Verständisses des Nahfeldes verhinderte.rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde Photoemissionselektronenmikroskopie (PEEM) bzw. -mikrospektroskopie genutzt, um ortsaufgelöst die Eigenschaften nahfeld-induzierter Elektronenemission zu bestimmen. Die elektrodynamischen Eigenschaften der untersuchten Systeme wurden zudem mit numerischen, auf der Finiten Integrationsmethode basierenden Berechnungen bestimmt und mit den experimentellen Resultaten verglichen.rnAg-Scheiben mit einem Durchmesser von 1µm und einer Höhe von 50nm wurden mit fs-Laserstrahlung der Wellenlänge 400nm unter verschiedenen Polarisationszuständen angeregt. Die laterale Verteilung der infolge eines 2PPE-Prozesses emittierten Elektronen wurde mit dem PEEM aufgenommen. Aus dem Vergleich mit den numerischen Berechnungen lässt sich folgern, dass sich das Nahfeld an unterschiedlichen Stellen der metallischen Struktur verschiedenartig ausbildet. Insbesondere wird am Rand der Scheibe bei s-polarisierter Anregung (verschwindende Vertikalkomponente des elektrischen Felds) ein Nahfeld mit endlicher z-Komponente induziert, während im Zentrum der Scheibe das Nahfeld stets proportional zum einfallenden elektrischen Feld ist.rnWeiterhin wurde erstmalig das Nahfeld optisch angeregter, stark gekoppelter Plasmonen spektral (750-850nm) untersucht und für identische Nanoobjekte mit den entsprechenden Fernfeldspektren verglichen. Dies erfolgte durch Messung der spektralen Streucharakteristik der Einzelobjekte mit einem Dunkelfeldkonfokalmikroskop. Als Modellsystem stark gekoppelter Plasmonen dienten Au Nanopartikel in sub-Nanometerabstand zu einem Au Film (nanoparticle on plane, NPOP). Mit Hilfe dieser Kombination aus komplementären Untersuchungsmethoden konnte erstmalig die spektrale Trennung von radiativen und nicht-radiativen Moden stark gekoppelter Plasmonen nachgewiesen werden. Dies ist insbesondere für Anwendungen von großer Relevanz, da reine Nahfeldmoden durch den unterdrückten radiativen Zerfall eine große Lebensdauer besitzen, so dass deren Verstärkungswirkung besonders lange nutzbar ist. Ursachen für die Unterschiede im spektralen Verhalten von Fern- und Nahfeld konnten durch numerische Berechnungen identifiziert werden. Sie zeigten, dass das Nahfeld nicht-spärischer NPOPs durch die komplexe Oszillationsbewegung der Elektronen innerhalb des Spaltes zwischen Partikel und Film stark ortsabhängig ist. Zudem reagiert das Nahfeld stark gekoppelter Plasmonen deutlich empfindlicher auf strukturelle Störstellen des Resonators als die Fernfeld-Response. Ferner wurde der Elektronenemissionsmechanismus als optischer Feldemissionsprozess identifiziert. Um den Vorgang beschreiben zu können, wurde die Fowler-Nordheim Theorie der statischen Feldemission für den Fall harmonisch oszillierender Felder modifiziert.

Plasmon resonances are electromagnetic modes associated with the excitation of collective oscillations of quasi-free electrons in metals. During the last decade, the field of plasmonics has exhibited a rapid development based on the improvement of manipulating samples on the nanoscale as well as the progress in spectroscopic methods, enabling systematic single particle investigation of well-defined tailored nanostructures. Besides an amplification of the optical scattering intensity which is radiated into the far-field, the excitation of plasmons results in a non-radiative enhancement in the immediate vicinity of the metallic structure (near-field), provoked by the coherent pile-up of charge at the metal surface. Thus, the optical near-field is a substantial physical quantity to obtain an insight into the essential effects and interactions of plasmons as well as to optimize plasmon-based applications. However, a fundamental comprehension of the near-field is still lacking due to the challenging experimental approach.rnIn the framework of this thesis photoemission electron microscopy (PEEM) and -microspectroscopy was used to determine the lateral distribution of electrons which were emitted by the optical near-field excited in metal micro- and nanostructures. The electrodynamic characteristics of the investigated structures were analyzed by employing numerical calculations based on the finite integration method and then compared with the experimental results.rnAg disks with a diameter of 1µm and a height of 50nm were optically excited by the radiation of a fs-laser with a wavelength of 400nm in dependence of the polarization state of the excitation. The lateral distribution of electrons emitted by a 2PPE process was recorded using PEEM. Comparing the results with the corresponding numerical calculations indicated a complex behaviour of the evolution of the near-field in the disk. In particular a near-field with a finite vertical component is induced at the edge of the disk under s-polarized excitation (vertical component of the electric field equals zero). In contrast, the near-field in the center of the disk is proportional to the incoming electric field for every polarization state of the excitation.rnFurthermore, the spectral characteristics (750-850nm) of the near-field of optically excited strongly coupled plasmons was investigated for the first time and compared to the corresponding far-field spectra of the identical nano-objects. This was accomplished by measuring the optical scattering response of the single objects using a confocal dark-field microscope. Au nanoparticles placed in sub-nanometer distance to an Au film (nanoparticle on plane, NPOP) served as a model system for strongly coupled plasmons. Applying this combination of complementary techniques on individual objects disclosed the spectral separation of radiative and non-radiative modes of strongly coupled plasmons for the first time. This is important especially for applications, since pure non-radiative modes possess a long lifetime due to the suppression of the radiative decay channel. Therefore, their near-field enhancement is available for a relatively long time. Possible reasons of the differences in the spectral characteristics of far- and near-field could be identified by numerical calculations. According to them, the near-field of non-spherical NPOPs depends strongly on the position in the gap between particle and film due to the complexity of the oscillatory motion of the electrons. In addition the near-field of strongly coupled plasmons is much more sensitive to structural imperfections compared to the far-field response. Furthermore, the electron emission mechanism was identified as an optical field emission process. To describe the data, the Fowler-Nordheim equation related to static field emission was modified for the case of a harmonic oscillating field.