Verstärkte Infrarotspektroskopie mit Nanostrukturen

Transkript

1 Verstärkte Infrarotspektroskopie mit Nanostrukturen Bruker Anwendertreffen Ettlingen, Tobias Maß, Prof. T. Taubner, Lehr- und Forschungsgebiet Nano-Optik und Metamaterialien, 1. Phys. Institut (IA), RWTH Aachen

2 (RWTH) Aachen und der Campus Melaten 2

6 (RWTH) Aachen und der Campus Melaten Fraunhofer ILT (Lasertechnik) 2

7 (RWTH) Aachen und der Campus Melaten Fraunhofer IPT (Produktionstechnik) Fraunhofer ILT (Lasertechnik) 2

8 (RWTH) Aachen und der Campus Melaten ITA (Textiltechnik) Fraunhofer IPT (Produktionstechnik) Fraunhofer ILT (Lasertechnik) 2

9 (RWTH) Aachen und der Campus Melaten Elektrotechnik ITA (Textiltechnik) Fraunhofer IPT (Produktionstechnik) Fraunhofer ILT (Lasertechnik) 2

10 (RWTH) Aachen und der Campus Melaten IR Nano-Optik, AG Prof. Taubner im 1. Phys. Institut (IA) Elektrotechnik ITA (Textiltechnik) Fraunhofer IPT (Produktionstechnik) Fraunhofer ILT (Lasertechnik) 2

11 (RWTH) Aachen und der Campus Melaten IR Nano-Optik, AG Prof. Taubner Geplante Campus-Erweiterung im 1. Phys. Institut (IA) Elektrotechnik ITA (Textiltechnik) Fraunhofer IPT (Produktionstechnik) Fraunhofer ILT (Lasertechnik) 2

12 Infrarote Nano-Optik 3 ultraviolett Infrarot Radio Fingerabdruck -Spektren 400 nm 700 nm 1 μm 1 mm mittleres Infrarot: 2-20 μm Wellenlänge Infrarote Vibrationsspektroskopie chemische und strukturelle Information Identifikation von Molekülen sensitiv auf Ladungsträger Materialwissenschaften, Kristallographie Chemie, Biologie Halbleitertechnik, Elektronik

13 Infrarote Nano-Optik 3 ultraviolett Infrarot Radio Fingerabdruck -Spektren 400 nm 700 nm 1 μm 1 mm mittleres Infrarot: 2-20 μm Wellenlänge Graph basiert auf Vorlage von Daylight Solutions

14 Themen der Arbeitsgruppe 4 ultraviolett 400 nm Infrarot Radio 700 nm 1 μm 1 mm Wellenlänge mittleres Infrarot: 2-20 μm Nano-Optik: Untersuchung von optischen Phänomenen nahe oder unterhalb des Beugungslimits.

15 Themen der Arbeitsgruppe 4 ultraviolett 400 nm Infrarot Radio 700 nm 1 μm 1 mm Wellenlänge mittleres Infrarot: 2-20 μm Nano-Optik: Untersuchung von optischen Phänomenen nahe oder unterhalb des Beugungslimits. Infrarote Nahfeldmikroskopie (SNOM) hohe Ortsauflösung nm

16 Themen der Arbeitsgruppe 4 ultraviolett 400 nm Infrarot Radio 700 nm 1 μm 1 mm Wellenlänge mittleres Infrarot: 2-20 μm Nano-Optik: Untersuchung von optischen Phänomenen nahe oder unterhalb des Beugungslimits. Infrarote Nahfeldmikroskopie (SNOM) hohe Ortsauflösung nm Entwicklung eines durchstimmbaren Breitbandlasers mit einem Spektralbereich von 5-15 μm im Frauenhofer Institut für Lasertechnik

17 Themen der Arbeitsgruppe 4 ultraviolett 400 nm Infrarot Radio 700 nm 1 μm 1 mm Wellenlänge mittleres Infrarot: 2-20 μm Nano-Optik: Untersuchung von optischen Phänomenen nahe oder unterhalb des Beugungslimits. Infrarote Nahfeldmikroskopie (SNOM) FTIR - Spektroskopie Nanostrukturen verstärkte Infrarotspektroskopie. PMMA hohe Ortsauflösung nm Entwicklung eines durchstimmbaren Breitbandlasers mit einem Spektralbereich von 5-15 μm im Frauenhofer Institut für Lasertechnik

18 Gliederung Vorstellung der Arbeitsgruppe und Motivation des Spektralbereiches Metallische Nanoantennen: Herstellung und Funktionsweise Charakterisierung von Nanoantennen und verstärkte Spektroskopie Beeinflussung der Antennenresonanz zur Abdeckung des MIR Spektralbereiches

19 Metallische Nanostrukturen 6 1 μm

20 Metallische Nanostrukturen 6 2 μm 1 μm 1 μm 10 μm 1 μm 2 μm 1 μm 0,5 μm 0,5 μm Zur Verfügung stehende Herstellungsverfahren: Nanokugel-, E-Beam-, UV- und EUV-Lithographie sowie fokussiertes Ionenstrahl-, fs Laserpuls- und 3D Laserschreiben

21 Metallische Nanostrukturen 6 2 μm 1 μm 1 μm 10 μm 1 μm 2 μm 1 μm 0,5 μm 0,5 μm Zur Verfügung stehende Herstellungsverfahren: Nanokugel-, E-Beam-, UV- und EUV-Lithographie sowie fokussiertes Ionenstrahl-, fs Laserpuls- und 3D Laserschreiben Vorteile der Nanokugel-Lithographie: Einfach und schnell durchführbar Preiswert (kein Reinraum etc.)

22 Nanokugel-Lithographie 7 Tropf-Beschichtung Thermischer Evaporator Klebeband

25 Nanokugel-Lithographie 7 dreieckige Nanoantenne Tropf-Beschichtung Thermischer Evaporator Klebeband

26 Resonante Anregung von Nanoantennen 8 Reflektion Antenne in Luft: n = 1 Wellenlänge + _ L

27 Resonante Anregung von Nanoantennen 8 Reflektion λres Wellenlänge Antenne in Luft: n = 1 + _ L

28 Resonante Anregung von Nanoantennen 8 Reflektion λres Wellenlänge Antenne in Luft: n = 1 + _ 1 L Verstärkung der Nahfeld - Intensität 2 1 Picture from H. Altug 2 F. Neubrech et al. Resonant Plasmonic and Vibrational Coupling in a Tailored Nanoantenna for Infrared Detection. Phys. Rev. Lett., (157403)(15),

29 Resonante Anregung von Nanoantennen 8 Reflektion λres Wellenlänge n > 1 + _ 1 L Verstärkung der Nahfeld - Intensität 2 1 Picture from H. Altug 2 F. Neubrech et al. Resonant Plasmonic and Vibrational Coupling in a Tailored Nanoantenna for Infrared Detection. Phys. Rev. Lett., (157403)(15),

30 Resonante Anregung von Nanoantennen 8 Reflektion λ Wellenlänge n > 1 + _ 1 L Verstärkung der Nahfeld - Intensität 2 1 Picture from H. Altug 2 F. Neubrech et al. Resonant Plasmonic and Vibrational Coupling in a Tailored Nanoantenna for Infrared Detection. Phys. Rev. Lett., (157403)(15),

31 Resonante Anregung von Nanoantennen 8 Reflektion Rotverschiebung der Resonanz λres Wellenlänge n > 1 + _ λ res ~ 2 n eff L 1 L Verstärkung der Nahfeld - Intensität 2 1 Picture from H. Altug 2 F. Neubrech et al. Resonant Plasmonic and Vibrational Coupling in a Tailored Nanoantenna for Infrared Detection. Phys. Rev. Lett., (157403)(15),

32 Resonante Anregung von Nanoantennen 8 Reflektion Rotverschiebung der Resonanz λres Wellenlänge Luft + Substrat _ λ res ~ 2 n eff L 1 L Verstärkung der Nahfeld - Intensität 2 1 Picture from H. Altug 2 F. Neubrech et al. Resonant Plasmonic and Vibrational Coupling in a Tailored Nanoantenna for Infrared Detection. Phys. Rev. Lett., (157403)(15),

33 Resonante Anregung von Nanoantennen 8 Reflektion Rotverschiebung der Resonanz λres Wellenlänge Luft + Substrat _ λ res ~ 2 n eff L 1 L Verstärkung der Nahfeld - Intensität 2 Eine höherer effektiver Brechungsindex des Umgebungsmaterials bewirkt eine Rotverschiebung der Antennenresonanz 1 Picture from H. Altug 2 F. Neubrech et al. Resonant Plasmonic and Vibrational Coupling in a Tailored Nanoantenna for Infrared Detection. Phys. Rev. Lett., (157403)(15),

34 Charakterisierung von Nanostrukturen durch FTIR - Mikroskopie 2 μm Komponenten: Vertex 70 Spektrometer und Hyperion 2000 Mikroskop LN2 gekühlte MCT Detektoren Interne und externe Lichtquelle. Objektive: 4x und 40x VIS, 15x und 36x IR, 20x ATR, GIR Eigenschaften: spektraler Messbereich: örtlicher Messbereich: etwa 1-15 μm bis runter zu 20 x 20 μm Mikroskopbilder aus: A. Hartung. Herstellung von Nanostrukturen im infraroten Spektralbereich. RWTH Aachen, [2] 9

35 Charakterisierung der Nanoantennen 10 1 μm Gezielte Messungen z.b. defektfreier Bereiche relative Reflektion Wellenzahl [cm -1 ] J. M. Hoffmann et al. Low-cost infrared resonant structures for Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopy in the Fingerprint Region from 3 µm to 13 µm. J. Phys. Chem. C, 2013, 117 (21), pp

36 Charakterisierung der Nanoantennen 10 1 μm Gezielte Messungen z.b. defektfreier Bereiche Polarisation relative Reflektion λres Wellenzahl [cm -1 ] Hohe Felder an den Spitzen J. M. Hoffmann et al. Low-cost infrared resonant structures for Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopy in the Fingerprint Region from 3 µm to 13 µm. J. Phys. Chem. C, 2013, 117 (21), pp

37 Polymer - Deposition nm PMMA Tropf-Beschichtung Aufdampfanlage Klebeband Rotations-Beschichtung

38 Polymer - Deposition nm PMMA Tropf-Beschichtung Aufdampfanlage Klebeband Rotations-Beschichtung

39 Antennen verstärkte FTIR - Spektroskopie 12 1 μm Gezielte Messungen z.b. defektfreier Bereiche Polarisation 35 nm PMMA relative Reflektion Wellenzahl [cm -1 ] Hohe Felder an den Spitzen J. M. Hoffmann et al. Low-cost infrared resonant structures for Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopy in the Fingerprint Region from 3 µm to 13 µm. Phys. Chem. C, 2013, 117 (21), pp [3]

40 Antennen verstärkte FTIR - Spektroskopie 12 1 μm Gezielte Messungen z.b. defektfreier Bereiche relative Reflektion Polarisation 35 nm PMMA C=O Vibrationsmode Hohe Felder an den Spitzen J. M. Hoffmann et al. Low-cost infrared resonant structures for Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopy in the Fingerprint Region from 3 µm to 13 µm. Phys. Chem. C, 2013, 117 (21), pp [3] relative Reflektion mit Antennen ohne Antennen Wellenzahl [cm -1 ]

41 Motivation für Resonanzverschiebungen 13 Beugung Streckung J. M. Hoffmann et al. Low-cost infrared resonant structures for Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopy in the Fingerprint Region from 3 µm to 13 µm. Phys. Chem. C, 2013, 117 (21), pp [3]

42 Motivation für Resonanzverschiebungen 13 Funktionelle Gruppen 2-7 μm Beugung Streckung J. M. Hoffmann et al. Low-cost infrared resonant structures for Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopy in the Fingerprint Region from 3 µm to 13 µm. Phys. Chem. C, 2013, 117 (21), pp [3]

43 Motivation für Resonanzverschiebungen 13 Funktionelle Gruppen 2-7 μm Fingerprint - Region: Streck- und Beugungs- Vibrationen von 7-15 μm. Beugung Streckung J. M. Hoffmann et al. Low-cost infrared resonant structures for Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopy in the Fingerprint Region from 3 µm to 13 µm. Phys. Chem. C, 2013, 117 (21), pp [3]

44 Motivation für Resonanzverschiebungen 13 Funktionelle Gruppen 2-7 μm Fingerprint - Region: Streck- und Beugungs- Vibrationen von 7-15 μm. relative Reflektion Wellenzahl [cm -1 ] mit Antennen ohne Antennen 35 nm PMMA Beugung Streckung J. M. Hoffmann et al. Low-cost infrared resonant structures for Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopy in the Fingerprint Region from 3 µm to 13 µm. Phys. Chem. C, 2013, 117 (21), pp [3]

45 Motivation für Resonanzverschiebungen 13 Funktionelle Gruppen 2-7 μm Fingerprint - Region: Streck- und Beugungs- Vibrationen von 7-15 μm. PMMA: C=O Bande bei ca. 5.8 μm relative Reflektion Wellenzahl [cm -1 ] mit Antennen ohne Antennen 35 nm PMMA Beugung Streckung J. M. Hoffmann et al. Low-cost infrared resonant structures for Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopy in the Fingerprint Region from 3 µm to 13 µm. Phys. Chem. C, 2013, 117 (21), pp [3]

46 Motivation für Resonanzverschiebungen 13 Funktionelle Gruppen 2-7 μm Fingerprint - Region: Streck- und Beugungs- Vibrationen von 7-15 μm. PMMA: C=O Bande bei ca. 5.8 μm relative Reflektion Wellenzahl [cm -1 ] mit Antennen ohne Antennen 35 nm PMMA Ziel: Resonanzverschiebungen zur Abdeckung großer Teile des mittleren infraroten Spektralbereichs. Streckung Beugung J. M. Hoffmann et al. Low-cost infrared resonant structures for Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopy in the Fingerprint Region from 3 µm to 13 µm. Phys. Chem. C, 2013, 117 (21), pp [3]

47 Resonanzverschiebungen durch Variation des Substratmaterials und der Antennenlänge 14 Abdeckung des mittleren infraroten Spektralbereiches durch Variation der Antennenlänge und des Substratmaterials J. M. Hoffmann et al. Low-cost infrared resonant structures for Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopy in the Fingerprint Region from 3 µm to 13 µm. Phys. Chem. C, 2013, 117 (21), pp [3]

48 Resonanzverschiebungen durch Variation des Substratmaterials und der Antennenlänge 14 L=1.0 μm n = 1.4 Abdeckung des mittleren infraroten Spektralbereiches durch Variation der Antennenlänge und des Substratmaterials J. M. Hoffmann et al. Low-cost infrared resonant structures for Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopy in the Fingerprint Region from 3 µm to 13 µm. Phys. Chem. C, 2013, 117 (21), pp [3]

49 Resonanzverschiebungen durch Variation des Substratmaterials und der Antennenlänge 14 L=1.0 μm n = 1.4 L=1.6 μm n = 1.4 Abdeckung des mittleren infraroten Spektralbereiches durch Variation der Antennenlänge und des Substratmaterials J. M. Hoffmann et al. Low-cost infrared resonant structures for Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopy in the Fingerprint Region from 3 µm to 13 µm. Phys. Chem. C, 2013, 117 (21), pp [3]

50 Resonanzverschiebungen durch Variation des Substratmaterials und der Antennenlänge 14 L=1.0 μm n = 1.4 L=1.6 μm n = 1.4 L=1.6 μm Abdeckung des mittleren infraroten Spektralbereiches durch Variation der Antennenlänge und des Substratmaterials n = 3.4 J. M. Hoffmann et al. Low-cost infrared resonant structures for Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopy in the Fingerprint Region from 3 µm to 13 µm. Phys. Chem. C, 2013, 117 (21), pp [3]

51 Resonanzverschiebungen durch Variation des Substratmaterials und der Antennenlänge 14 CaF2 ZnS ZnSe Si Ge n λ res ~ 2 n eff L Abdeckung des mittleren infraroten Spektralbereiches durch Variation der Antennenlänge und des Substratmaterials J. M. Hoffmann et al. Low-cost infrared resonant structures for Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopy in the Fingerprint Region from 3 µm to 13 µm. Phys. Chem. C, 2013, 117 (21), pp [3]

52 Resonanzverschiebungen durch Variation des Substratmaterials und der Antennenlänge 14 CaF2 ZnS ZnSe Si Ge n λ res ~ 2 n eff L Abdeckung des mittleren infraroten Spektralbereiches durch Variation der Antennenlänge und des Substratmaterials J. M. Hoffmann et al. Low-cost infrared resonant structures for Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopy in the Fingerprint Region from 3 µm to 13 µm. Phys. Chem. C, 2013, 117 (21), pp [3]

53 Phasenwechsel-Materialien 15 Wiederbeschreibbare DVD Phasenwechsel - RAM Matthias Wuttig & Noboru Yamada. Phase change materials for rewritable data storage. Nature Materials, Vol 6,

54 Phasenwechsel-Materialien 15 Wiederbeschreibbare DVD Kristalline Phase Amorphe Phase Phasenwechsel - RAM Niedriger Wiederstand Hohe Reflektivität Hoher Wiederstand Niedrige Reflektivität Energie Reset Set Zeit Matthias Wuttig & Noboru Yamada. Phase change materials for rewritable data storage. Nature Materials, Vol 6,

55 Phasenwechsel-Materialien 15 Wiederbeschreibbare DVD Kristalline Phase Amorphe Phase Phasenwechsel - RAM Niedriger Wiederstand Hohe Reflektivität Hoher Wiederstand Niedrige Reflektivität Energie Schnelles, reversibles optisches und elektrisches Schalten Reset Set Zeit Matthias Wuttig & Noboru Yamada. Phase change materials for rewritable data storage. Nature Materials, Vol 6,

56 Resonanzverschiebungen durch Schalten von Phasenwechsel-Materialien 16 Kristalline Phase Amorphe Phase Ge3Sb2Te6 n = 6.2 n = 3.5 Aluminium Stabantennen λ res ~ 2 n eff L Al Antennen GST amorph (n= 3.5) Silizium Michel, A.-K. U. et al. Using low-loss phase-change materials for mid-infrared antenna resonance tuning. Nano Lett., 2013, 13(8), pp [5]

57 Resonanzverschiebungen durch Schalten von Phasenwechsel-Materialien 16 Kristalline Phase Amorphe Phase Ge3Sb2Te6 n = 6.2 n = 3.5 Aluminium Stabantennen λ res ~ 2 n eff L Al Antennen GST amorph (n= 3.5) Silizium Al Antennen GST kristallin (n= 6.2) Silizium Michel, A.-K. U. et al. Using low-loss phase-change materials for mid-infrared antenna resonance tuning. Nano Lett., 2013, 13(8), pp [5]

58 Resonanzverschiebungen durch Schalten von Phasenwechsel-Materialien 16 Kristalline Phase Amorphe Phase Ge3Sb2Te6 n = 6.2 n = 3.5 λ res ~ 2 n eff L relative Reflektion Al Antennen GST amorph (n= 3.5) Silizium Al Antennen GST kristallin (n= 6.2) Silizium Wellenzahl [cm -1 ] Michel, A.-K. U. et al. Using low-loss phase-change materials for mid-infrared antenna resonance tuning. Nano Lett., 2013, 13(8), pp [5]

59 Blauverschiebung durch Schalten von InSb 17 Ge3Sb2Te6 InSb Kristalline Phase Amorphe Phase Amorphe Phase Kristalline Phase n = 6.2 n = 3.5 n = 5.0 n = 3.9 Michel, A.-K. U. et al. Using low-loss phase-change materials for mid-infrared antenna resonance tuning. Nano Lett., 2013, 13(8), pp [5]

60 Blauverschiebung durch Schalten von InSb 17 Ge3Sb2Te6 InSb Kristalline Phase Amorphe Phase Amorphe Phase Kristalline Phase n = 6.2 n = 3.5 n = 5.0 n = 3.9 relative Reflektion λ res ~ 2 n eff L Wellenzahl [cm -1 ] Wellenzahl [cm -1 ] Michel, A.-K. U. et al. Using low-loss phase-change materials for mid-infrared antenna resonance tuning. Nano Lett., 2013, 13(8), pp [5]

61 Zusammenfassung 18 mittleres Infrarot 2-20 μm

62 Zusammenfassung 18 mittleres Infrarot 2-20 μm + Nano-Optik Polarisation Nanoantennen erzeugen stark überhöhte Felder und ermöglichen so die Spektroskopie von geringen Mengen Analyt: 35 nm PMMA auf 30 x 30 μm großem Bereich mit Gold-Dreiecksantennen hat 8 fach höheres Absorptionssignal als auf ebener Goldschicht

63 Zusammenfassung 18 mittleres Infrarot 2-20 μm + Nano-Optik Polarisation Nanoantennen erzeugen stark überhöhte Felder und ermöglichen so die Spektroskopie von geringen Mengen Analyt: 35 nm PMMA auf 30 x 30 μm großem Bereich mit Gold-Dreiecksantennen hat 8 fach höheres Absorptionssignal als auf ebener Goldschicht Resonanzverschiebungen durch Variation des Substratmaterials und der Antennenlänge.

64 Zusammenfassung 18 mittleres Infrarot 2-20 μm + Nano-Optik Polarisation Nanoantennen erzeugen stark überhöhte Felder und ermöglichen so die Spektroskopie von geringen Mengen Analyt: Amorphe Phase Kristalline Phase 35 nm PMMA auf 30 x 30 μm großem Bereich mit Gold-Dreiecksantennen hat 8 fach höheres Absorptionssignal als auf ebener Goldschicht Ge3Sb2Te6 InSb Resonanzverschiebungen durch Variation des Substratmaterials und der Antennenlänge. Resonanzverschiebungen durch Schalten von Phasenwechselmaterialien. namorph < < nkristallin

65 Ausblick μm 1 μm T. Wang, V.H. Nguyen, A. Buchenauer, U. Schnakenberg & T. Taubner. Surface enhanced infrared spectroscopy with gold strip gratings. Optics Express, Vol 21 (7)(7), Gold J. D. Caldwell et al. Low-Loss, Extreme Subdiffraction Photon Confinement via Silicon Carbide Localized Surface Phonon Polariton Resonators. Nano Letters, Vol 13(8), pp T. Wang, P. Li, B. Hauer, D. Chigrin and T. Taubner. Optical Properties of Single Infrared Resonant Circular Microcavities for Surface Phonon Polaritons. Nano Lett., Articles ASAP

66 Vielen Dank an Alle, die zum Erfolg der Gruppe beigetragen haben: Prof. T. Taubner Dr. habil. D. N. Chigrin Dr. T. Wang Dr. F. Gaussmann J.M. Hoffmann S. Bensmann B.Hauer P. Li A. U. Michel T. W. W. Maß und einige Master- und Bacheloranden, sowie ehemalige Mitglieder der Gruppe.

67 Literaturverweise 21 [1] Hatice Altug. Boston University. [2] A. Hartung. Herstellung von Nanostrukturen im infraroten Spektralbereich. RWTH Aachen, [3] J. M. Hoffmann et al. Low-cost infrared resonant structures for Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopy in the Fingerprint Region from 3 µm to 13 µm. Phys. Chem. C, 2013, 117 (21), pp [4] Wuttig & Noboru Yamada. Phase change materials for rewritable data storage. Nature Materials, Vol 6, (2007) [5] A. Michel et al. Using low-loss phase-change materials for mid-infrared antenna resonance tuning. Nano Lett., 2013, 13(8), pp