Numerical study of sub-wavelength plasmonic waveguide

The authors present an analysis of a plasmonic waveguide, simulated using a two-dimensional finite-difference time-domain technique. With the surface structures located on the surface of the metal, the device is able to confine and guide light waves in a sub-wavelength scale. And two waveguides can be placed within 150 nm (similar to 6% of the incident wavelength) that will helpful for the optoelectronic integration. Within the 20 mu m simulation region, it is found that the intensity of the guided light at the interface is roughly two to four times the peak intensity of the incident light, and the propagation length can reach approximately 40 Pm at the wavelength of 2.44 mu m. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Plasmonic very-small-aperture lasers

The fabrication of plasmonic very-small-aperture lasers is demonstrated in this letter. It is an integration of the surface plasmon structures and very-small-aperture lasers (VSAL). The experimental and numerical results demonstrate that the transmission field can be confined to a spot with subwavelength width in the far field, and the power output can be enhanced 140% of the normal VSAL. Such a device can be useful in the application of a high resolution far-field scanning optical microscope. (C) 2007 American Institute of Physics.

Plasmonic surface-wave splitter

The authors present an analysis of a plasmonic surface-wave splitter, simulated using a two-dimensional finite-difference time-domain technique. A single subwavelength slit is employed as a high-intensity nanoscale excitation source for plasmonic surface waves, resulting in a miniaturized light-surface plasmon coupler. With different surface structures located on the two sides of the slit, the device is able to confine and guide light waves of different wavelengths in opposite directions. Within the 15 mu m simulation region, it is found that the intensity of the guided light at the interface is roughly two to eight times the peak intensity of the incident light, and the propagation length can reach approximately 42 and 16 mu m and at the wavelengths of 0.63 and 1.33 mu m, respectively. (c) 2007 American Institute of Physics.

Sub-wavelength beam lasers with surface plasmon structures

The simulation of a plasmonic very-small-aperture laser is demonstrated in this paper. It is an integration of the surface plasmon structure and very-small-aperture laser (VSAL). The numerical results demonstrate that the transmission field can be confined to a spot with subwavelength width in the far field (3.5 mu m far from the emitting surface), and the output power density can be enhanced over 30 times of the normal VSAL. Such a device can be useful in the application of a high resolution far-field scanning optical microscope.

Broadband short-range surface plasmon structures for absorption enhancement in organic photovoltaics

We theoretically demonstrate a polarization-independent nanopatterned ultra-thin metallic structure supporting short-range surface plasmon polariton (SRSPP) modes to improve the performance of organic solar cells. The physical mechanism and the mode distribution of the SRSPP excited in the cell device were analyzed, and reveal that the SRSPP-assisted broadband absorption enhancement peak could be tuned by tailoring the parameters of the nanopatterned metallic structure. Three-dimensional finite-difference time domain calculations show that this plasmonic structure can enhance the optical absorption of polymer-based photovoltaics by 39% to 112%, depending on the nature of the active layer (corresponding to an enhancement in short-circuit current density by 47% to 130%). These results are promising for the design of organic photovoltaics with enhanced performance.

Plasmonic gold nanostructures: optical properties and application in mercury detection

This thesis investigates the application of plasmonic gold nanostructures for mercury detection. Various gold and silver single nanostructures and gold nanostructure assemblies were characterised in detail by correlated single nanostructure spectroscopy and electron microscopy. Several routes for mercury detection were explored: plasmon resonance energy transfer (PRET) upon Hg2+ binding to immobilised gold nanoparticle-organic ligand hybrid structures and amalgamation of single immobilised gold nanorods upon chemical and upon electrochemical reduction of Hg2+ ions. The amalgamation approach showed large potential with extraordinary shifts of the nanorods’ scattering spectra upon exposure to reduced mercury; a result of compositional and morphological change induced in the nanorod by amalgamation with mercury. A shift of 5 nm could be recorded for a concentration as low 10 nM Hg2+. Through detailed time-dependent experiments insights into the amalgamation mechanism were gained and a model comprising 5 steps was developed. Finally, spectroelectrochemistry proved to be an excellent way to study in real time in-situ the amalgamation of mercury with gold nanorods paving the way for future work in this field.

Plasmonic Nanoparticles and Nanowires: Design, Fabrication and Application in Sensing.

This study involves two aspects of our investigations of plasmonics-active systems: (i) theoretical and simulation studies and (ii) experimental fabrication of plasmonics-active nanostructures. Two types of nanostructures are selected as the model systems for their unique plasmonics properties: (1) nanoparticles and (2) nanowires on substrate. Special focus is devoted to regions where the electromagnetic field is strongly concentrated by the metallic nanostructures or between nanostructures. The theoretical investigations deal with dimers of nanoparticles and nanoshells using a semi-analytical method based on a multipole expansion (ME) and the finite-element method (FEM) in order to determine the electromagnetic enhancement, especially at the interface areas of two adjacent nanoparticles. The experimental study involves the design of plasmonics-active nanowire arrays on substrates that can provide efficient electromagnetic enhancement in regions around and between the nanostructures. Fabrication of these nanowire structures over large chip-scale areas (from a few millimeters to a few centimeters) as well as FDTD simulations to estimate the EM fields between the nanowires are described. The application of these nanowire chips using surface-enhanced Raman scattering (SERS) for detection of chemicals and labeled DNA molecules is described to illustrate the potential of the plasmonics chips for sensing.

Control of radiative processes using tunable plasmonic nanopatch antennas.

The radiative processes associated with fluorophores and other radiating systems can be profoundly modified by their interaction with nanoplasmonic structures. Extreme electromagnetic environments can be created in plasmonic nanostructures or nanocavities, such as within the nanoscale gap region between two plasmonic nanoparticles, where the illuminating optical fields and the density of radiating modes are dramatically enhanced relative to vacuum. Unraveling the various mechanisms present in such coupled systems, and their impact on spontaneous emission and other radiative phenomena, however, requires a suitably reliable and precise means of tuning the plasmon resonance of the nanostructure while simultaneously preserving the electromagnetic characteristics of the enhancement region. Here, we achieve this control using a plasmonic platform consisting of colloidally synthesized nanocubes electromagnetically coupled to a metallic film. Each nanocube resembles a nanoscale patch antenna (or nanopatch) whose plasmon resonance can be changed independent of its local field enhancement. By varying the size of the nanopatch, we tune the plasmonic resonance by ∼ 200 nm, encompassing the excitation, absorption, and emission spectra corresponding to Cy5 fluorophores embedded within the gap region between nanopatch and film. By sweeping the plasmon resonance but keeping the field enhancements roughly fixed, we demonstrate fluorescence enhancements exceeding a factor of 30,000 with detector-limited enhancements of the spontaneous emission rate by a factor of 74. The experiments are supported by finite-element simulations that reveal design rules for optimized fluorescence enhancement or large Purcell factors.

High-Performance Biosensing Using Arrays of Plasmonic Nanotubes

We show that aligned gold nanotube arrays capable of supporting plasmonic resonances can be used as high performance refractive index sensors in biomolecular binding reactions. A methodology to examine the sensing ability of the inside and outside walls of the nanotube structures is presented. The sensitivity of the plasmonic nanotubes is found to increase as the nanotube walls are exposed, and the sensing characteristic of the inside and outside walls is shown to be different. Finite element simulations showed good qualitative agreement with the observed behavior. Free standing gold nanotubes displayed bulk sensitivities in the region of 250 nm per refractive index unit and a signal-to-noise ratio better than 1000 upon protein binding which is highly competitive with state-of-the-art label-free sensors.

Plasmonic Sensing Using Nanodome Arrays Fabricated by Soft Nanoimprint Lithography

Arrays of gold-coated nanodomes were fabricated on glass substrates using a soft
nanoimprint lithography technique. Optical transmission measurements revealed complex
plasmonic resonances that proved highly sensitive to the array dimensions, the thickness of
the gold layer, and the refractive index of the surrounding medium. As one promising
application for these structures, the refractive index sensing capabilities of the nanodome
arrays were assessed.

Dipolar emission in trench metal-insulator-metal waveguides for short-scale plasmonic communications: numerical optimization

Here we consider the numerical optimization of active surface plasmon polariton (SPP) trench waveguides suited for integration with luminescent polymers for use as highly localized SPP source devices in short-scale communication integrated circuits. The numerical analysis of the SPP modes within trench waveguide systems provides detailed information on the mode field components, effective indices, propagation lengths and mode areas. Such trench waveguide systems offer extremely high confinement with propagation on length scales appropriate to local interconnects, along with high efficiency coupling of dipolar emitters to waveguided plasmonic modes which can be close to 80%. The large Purcell factor exhibited in these structures will further lead to faster modulation capabilities along with an increased quantum yield beneficial for the proposed plasmon-emitting diode, a plasmonic analog of the light-emitting diode. The confinement of studied guided modes is on the order of 50 nm and the delay over the shorter 5 μm length scales will be on the order of 0.1 ps for the slowest propagating modes of the system, and significantly less for the faster modes.

Focusing surface plasmons on Er3+ ions through gold planar plasmonic lenses

Gold plasmonic lenses consisting of a planar concentric rings-groove with different periods were milled with a focused gallium ion beam on a gold thin film deposited onto an Er3+-doped tellurite glass. The plasmonic lenses were vertically illuminated with an argon ion laser highly focused by means of a 50x objective lens. The focusing mechanism of the plasmonic lenses is explained using a coherent interference model of surface plasmon-polariton (SPP) generation on the circular grating due to the incident field. As a result, phase modulation can be accomplished by the groove gap, similar to a nanoslit array with different widths. This focusing allows a high confinement of SPPs that can excite the Er3+ ions of the glass. The Er3+ luminescence spectra were measured in the far-field (500-750 nm wavelength range), where we could verify the excitation yield via the plasmonic lens on the Er3+ ions. We analyze the influence of the geometrical parameters on the luminescence spectra. The variation of these parameters results in considerable changes of the luminescence spectra.

Plasmonic nanorods and nanoparticle-assemblies

Die vorliegenden Dissertation beschäftigt sich mit plasmonischen Nanopartikeln, deren Wechselwirkung mit Licht in einer Plasmonenschwingung resultiert. Suspensionen dieser Partikel zeigen kräftige Farben, da sich die Resonanzfrequenz der Plasmonenschwingung im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrum befindet. Durch die Veränderung interner (Material, Größe, Form) oder externer Parameter (Brechungsindex der Umgebung, Abstand zu anderen plasmonischen Partikeln) lässt sich die Farbe der Partikel verändern, eine Verschiebung der Resonanzfrequenz kann beobachtet werden. Ihre Sensitivität gegenüber äußeren Bedingungen ist der Grund, weshalb plasmonische Nanopartikel als Sensoren eingesetzt werden können. Wichtig ist hierbei nicht nur, dass die Partikel eine hohe Sensitivität zeigen, sondern auch die Möglichkeit, reproduzierbar Partikel zu synthetisieren, die experimentellen Anforderungen entsprechen. In der vorliegenden Arbeit wird das Wachstum von reinen Gold- und mit Silber beschichteten Goldnanostäbchen untersucht. Des Weiteren werden plasmonische Nanopartikel als Orientierungs-, Brechungsindex- und Abstandssensoren verwendet. Die Synthese von Goldnanostäbchen erfolgt auf nasschemischen Weg, ihr anisotropes Wachstum aus isotropen Keimen wird durch zahlreiche Faktoren beeinflusst. In diesem Zusammenhang wurde ein Wachstumsmodell entwickelt, das neben dem Vorhandensein eines Stabilisators auch die Rolle von Bromid- und Silberionen herausstellt, die durch selektive Adsorption das Wachstum bestimmter Kristallflächen inhibieren. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Potentialdifferenz zwischen Reduktions- und Oxidationsmittel klein sein muss, um ein langsames selektives Wachstum zu gewährleisten. rnDurch das Aufwachsen einer dünnen Silberschicht auf Goldnanostäbchen verbessert sich deren Qualität im Bezug auf die heterogene Linienbreite. Der “Plasmonic Focusing Effect”, die Änderung der Steigung des linearen Zusammenhangs von Plasmonenresonanz und Aspektverhältnis, konnte theoretisch berechnet und experimentell verifiziert werden. Durch die Aufnahme zeitaufgelöster Spektren und die Untersuchung des Verlaufs der Reaktion wurden sowohl Reaktionsordnung, als auch Aktivierungsenergie ermittelt. Das so gefundene kinetische Model erlaubt zudem die Vorhersage des Reaktionsprodukts zu verschiedenen Zeiten. rnEinzelne Goldnanostäbchen wurden in einer Gelmatrix bei verschiedenen Temperaturen untersucht, die Aufnahme der zeitlichen Variation der polarisationsabhängigen Streuintensität konnte genutzt werden, um den Kollaps des Gels zu charakterisieren. Neben der Verwendung einzelner plasmonischer Nanopartikel wurden auch Dimere, bestehend aus zwei Goldnanokugeln, untersucht. Nach der Kalibrierung der Resonanzfrequenz gegenüber des Abstandes der beiden Partikel durch externe Methoden (Lichtstreuung, Cryo- Elektronenmikroskopie) wurde der so gefundene exponentielle Zusammenhang verwendet, um sowohl den Brechungsindex der Umgebung, als auch den Abstand der beiden Goldnanokugeln zu bestimmen. Des Weiteren wurden Goldnanopartikeldimere benutzt, um ein als Linker verwendetes thermoresponsives Elastin-Polymer bei verschiedenen Temperaturen zu charakterisieren. Neben Aggregaten aus zwei Goldnanokugeln wurden auch so genannte “core-satellite” Strukturen synthetisiert, die um einen großen Goldnanopartikelkern viele kleine Goldnanopartikel tragen. Diese Partikel haben eine theoretisch vorhergesagte höhere Sensitivität gegenüber Brechungsindexänderungen, was in ersten Experimenten gezeigt werden konnte.

Near-field mediated enhancement effects on plasmonic nanostructures

In dieser Arbeit wird eine detaillierte Untersuchung und Charakterisierung der Zwei-Photonen-induzierten Fluoreszenzverstärkung von organischen Farbstoffen auf plasmonischen Nanostrukturen vorgestellt. Diese Fluoreszenzverstärkung ist insbesondere für hochaufgelöste Fluoreszenzmikroskopie und Einzelmolekülspektroskopie von großer Bedeutung. Durch die Zwei-Photonen-Anregung resultiert eine Begrenzung des Absorptionsprozesses auf das fokale Volumen. In Kombination mit dem elektrischen Nahfeld der Nanostrukturen als Anregungsquelle entsteht eine noch stärkere Verringerung des Anregungsvolumens auf eine Größe unterhalb der Beugungsgrenze. Dies erlaubt die selektive Messung ausgewählter Farbstoffe. Durch die Herstellung der Nanopartikel mittels Kolloidlithografie wird eine definierte, reproduzierbare Geometrie erhalten. Polymermultischichten dienen als Abstandshalter, um die Farbstoffe an einer exakten Distanz zum Metall zu positionieren. Durch die kovalente Anbindung des Farbstoffs an die oberste Schicht wird eine gleichmäßige Verteilung des Farbstoffs in geringer Konzentration erhalten. rnEs wird eine Verstärkung der Fluoreszenz um den Faktor 30 für Farbstoffe auf Goldellipsen detektiert, verglichen mit Farbstoffen außerhalb des Nahfelds. Sichelförmige Nanostrukturen erzeugen eine Verstärkung von 120. Dies belegt, dass das Ausmaß der Fluoreszenzverstärkung entscheidend von der Stärke des elektrischen Nahfelds der Nanostruktur abhängt. Auch das Material der Nanostruktur ist hierbei von Bedeutung. So erzeugen Silberellipsen eine 1,5-fach höhere Fluoreszenzverstärkung als identische Goldellipsen. Distanzabhängige Fluoreszenzmessungen zeigen, dass die Zwei-Photonen-angeregte Fluoreszenzverstärkung an strukturspezifischen Abständen zum Metall maximiert wird. Elliptische Strukturen zeigen ein Maximum bei einem Abstand von 8 nm zum Metall, wohingegen bei sichelförmigen Nanostrukturen die höchste Fluoreszenzintensität bei 12 nm gemessen wird. Bei kleineren Abständen unterliegt der Farbstoff einem starken Löschprozess, sogenanntes Quenching. Dieses konkurriert mit dem Verstärkungsprozess, wodurch es zu einer geringen Nettoverstärkung kommt. Hat die untersuchte Struktur Dimensionen größer als das Auflösungsvermögen des Mikroskops, ist eine direkte Visualisierung des elektrischen Nahfelds der Nanostruktur möglich. rnrnEin weiterer Fokus dieser Arbeit lag auf der Herstellung neuartiger Nanostrukturen durch kolloidlithografische Methoden. Gestapelte Dimere sichelförmiger Nanostrukturen mit exakter vertikaler Ausrichtung und einem Separationsabstand von etwa 10 nm wurden hergestellt. Die räumliche Nähe der beiden Strukturen führt zu einem Kopplungsprozess, der neue optische Resonanzen hervorruft. Diese können als Superpositionen der Plasmonenmoden der einzelnen Sicheln beschrieben werden. Ein Hybridisierungsmodell wird angewandt, um die spektralen Unterschiede zu erklären. Computersimulationen belegen die zugrunde liegende Theorie und erweitern das Modell um experimentell nicht aufgelöste Resonanzen. rnWeiterhin wird ein neuer Herstellungsprozess für sichelförmige Nanostrukturen vorgestellt, der eine präzise Formanpassung ermöglicht. Hierdurch kann die Lage der Plasmonenresonanz exakt justiert werden. Korrelationen der geometrischen Daten mit den Resonanzwellenlängen tragen zum grundlegenden Verständnis der Plasmonenresonanzen bei. Die vorgestellten Resultate wurden mittels Computersimulationen verifiziert. Der Fabrikationsprozess erlaubt die Herstellung von Dimeren sichelförmiger Nanostrukturen in einer Ebene. Durch die räumliche Nähe überlappen die elektrischen Nahfelder, wodurch es zu kopplungs-induzierten Shifts der Plasmonenresonanzen kommt. Der Unterschied zu theoretisch berechneten ungekoppelten Nanosicheln kann auch bei den gegenüberliegenden sichelförmigen Nanostrukturen mit Hilfe des Plasmonenhybridisierungsmodells erklärt werden.

Individual plasmonic nanogaps : controlled assembly and detailed investigation

Diese Arbeit befasst sich mit den optischen Resonanzen metallischer Nanopartikel im Abstand weniger Nanometer von einer metallischen Grenzfläche. Die elektromagnetische Wechselwirkung dieser „Kugel-vor-Fläche“ Geometrie ruft interessante optische Phänomene hervor. Sie erzeugt eine spezielle elektromagnetische Eigenmode, auch Spaltmode genannt, die im Wesentlichen auf den Nanospalt zwi-schen Kugel und Oberfläche lokalisiert ist. In der quasistatischen Näherung hängt die Resonanzposition nur vom Material, der Umgebung, dem Film-Kugel Abstand und dem Kugelradius selbst ab. Theoretische Berechnungen sagen für diese Region unter Resonanzbedingungen eine große Verstärkung des elektro-magnetischen Feldes voraus. rnUm die optischen Eigenschaften dieser Systeme zu untersuchen, wurde ein effizienter plasmonenver-mittelnder Dunkelfeldmodus für die konfokale Rastermikroskopie durch dünne Metallfilme entwickelt, der die Verstärkung durch Oberflächenplasmonen sowohl im Anregungs- als auch Emissionsprozess ausnutzt. Dadurch sind hochwertige Dunkelfeldaufnahmen durch die Metallfilme der Kugel-vor-Fläche Systeme garantiert, und die Spektroskopie einzelner Resonatoren wird erleichtert. Die optischen Untersuchungen werden durch eine Kombination von Rasterkraft- und Rasterelektronenmikroskopie vervollständigt, so dass die Form und Größe der untersuchten Resonatoren in allen drei Dimensionen bestimmt und mit den optischen Resonanzen korreliert werden können. Die Leistungsfähigkeit des neu entwickelten Modus wird für ein Referenzsystem aus Polystyrol-Kugeln auf einem Goldfilm demonstriert. Hierbei zeigen Partikel gleicher Größe auch die erwartete identische Resonanz.rnFür ein aus Gold bestehendes Kugel-vor-Fläche System, bei dem der Spalt durch eine selbstorganisierte Monolage von 2-Aminoethanthiol erzeugt wird, werden die Resonanzen von Goldpartikeln, die durch Reduktion mit Chlorgoldsäure erzeugt wurden, mit denen von idealen Goldkugeln verglichen. Diese ent-stehen aus den herkömmlichen Goldpartikeln durch zusätzliche Bestrahlung mit einem Pikosekunden Nd:Yag Laser. Bei den unbestrahlten Partikeln mit ihrer Unzahl an verschiedenen Formen zeigen nur ein Drittel der untersuchten Resonatoren ein Verhalten, das von der Theorie vorhergesagt wird, ohne das dies mit ihrer Form oder Größe korrelieren würde. Im Fall der bestrahlten Goldkugeln tritt eine spürbare Verbesserung ein, bei dem alle Resonatoren mit den theoretischen Rechnungen übereinstimmen. Eine Änderung der Oberflächenrauheit des Films zeigt hingegen keinen Einfluß auf die Resonanzen. Obwohl durch die Kombination von Goldkugeln und sehr glatten Metallfilmen eine sehr definierte Probengeometrie geschaffen wurde, sind die experimentell bestimmten Linienbreiten der Resonanzen immer noch wesentlich größer als die berechneten. Die Streuung der Daten, selbst für diese Proben, deutet auf weitere Faktoren hin, die die Spaltmoden beeinflußen, wie z.B. die genaue Form des Spalts. rnDie mit den Nanospalten verbundenen hohen Feldverstärkungen werden untersucht, indem ein mit Farbstoff beladenes Polyphenylen-Dendrimer in den Spalt eines aus Silber bestehenden Kugel-vor-Fläche Systems gebracht wird. Das Dendrimer in der Schale besteht lediglich aus Phenyl-Phenyl Bindungen und garantiert durch die damit einhergende Starrheit des Moleküls eine überragende Formstabiliät, ohne gleichzeitig optisch aktiv zu sein. Die 16 Dithiolan Endgruppen sorgen gleichzeitig für die notwendige Affinität zum Silber. Dadurch kann der im Inneren befindliche Farbstoff mit einer Präzision von wenigen Nanometern im Spalt zwischen den Metallstrukturen platziert werden. Der gewählte Perylen Farbstoff zeichnet sich wiederum durch hohe Photostabilität und Fluoreszenz-Quantenausbeute aus. Für alle untersuchten Partikel wird ein starkes Fluoreszenzsignal gefunden, das mindestens 1000-mal stärker ist, als das des mit Farbstoff überzogenen Metallfilms. Das Profil des Fluoreszenz-Anregungsspektrums variiert zwischen den Partikeln und zeigt im Vergleich zum freien Farbstoff eine zusätzliche Emission bei höheren Frequenzen, was in der Literatur als „hot luminescence“ bezeichnet wird. Bei der Untersuchung des Streuverhaltens der Resonatoren können wieder zwei unterschiedliche Arten von Resonatoren un-terschieden werden. Es gibt zunächst die Fälle, die bis auf die beschriebene Linienverbreiterung mit einer idealen Kugel-vor-Fläche Geometrie übereinstimmen und dann andere, die davon stark abweichen. Die Veränderungen der Fluoreszenz-Anregungsspektren für den gebundenen Farbstoffs weisen auf physikalische Mechanismen hin, die bei diesen kleinen Metall/Farbstoff Abständen eine Rolle spielen und die über eine einfache wellenlängenabhängige Verstärkung hinausgehen.