Plasmonik: Antennen und Schaltkreise für Licht

Transkript

1 # 1 Plasmonik: Antennen und Schaltkreise für Licht Seminarvortrag im Sommersemester 2012 Universität Erlangen-Nürnberg Von Martin Schneidereit

2 # 2 Gliederung 1) Plasmonen und Wellenleiter 2) Antennen auf der Nanoskala 3) Schaltkreise für Licht 4) Fazit und Zusammenfassung

3 # 3 Oberflächenplasmonen -Anregung auf Metalloberflächen mit angrenzendem Dielektrikum -transversale Dichtewellen der Elektronen - Einführung von n eff : k SPP =k 0 n eff Bildquelle: Barnes, Dereux &Ebbesen Surface plasmon subwavelength optics, Nature 424, 14 August (2003)

4 # 4 Oberflächenplasmonen Anwendungen? -Halbleiter: sehr klein, aber nicht schnell genug - Dielektrische Photonik: hohe Bandbreiten, aber sehr große Strukturen durch Beugungslimit Plasmonik als Interdisziplin bietet Vorteile aus beiden Welten! Bildquelle: Brongersma et al. The case for Plasmonics, Science 328, 440 (2010)

5 # 5 Wellenleiter - der erste Schritt: einfacher IMI Problem: Ausdehnung des Feldes ins Dielektrikum ca. 2-3 µm (IMI=Isolator-Metall-Isolator) schlecht für integrierte Schaltungen geeignet! Bildquellen: Zia et al. Plasmonics: The next chip-scale technology Materials Today, (2006), vol. 9

6 # 6 Wellenleiter Gekoppelte Felder propagieren weiter! (IMI) Deutlich höheres Confinement bei MIM-Strukturen! Auch hier: Trade-off von Confinement nach Propagationslänge! Bildquelle rechts oben: H. Atwater: The Promise of Plasmonics, Scientific American, April 2007 pp Bildquelle Rest: Zia et al. Plasmonics: The next chip-scale technology Materials Today, (2006), vol. 9

7 # 7 Nanoantennen Definition Antenne: Transformation von Feldenergie vom Fern- ins Nahfeld und umgekehrt Für funktionierende Transformation/Einkopplung ohne Reflexion: Impedanzanpassung notwendig! 10) Bildquelle: Novotny & van Hulst Antennas for light nature photonics, vol.5, February 2011 Quelle 10): Antenna Theory Analysis and Design, Constantine A. Balanis, Wiley, 2005

8 # 8 Charakterisierung von Antennen Betrachtbare Größen: -(Einkoppel-)Effizienz: - Direktivität: - Bauart: P P P rad Prad P rad rad D(, ) p(, ) P rad loss P Antennentypen (v. l. n. r.): Dipol-Antenne, Hertz sche Dimer-Antenne, Bow-Tie-Antenne, Yagi-Uda-Antenne Bildquelle: L. Novotny From near-field optics to optical antennas Physics Today, July 2011

9 # 9 Vergleich zum Radiofrequenzbereich Neuartige Erscheinungen/Effekte: - endliche Eindringtiefe eff. Wellenlänge für Antenne - Impedanzanpassung zwischen Atomen/Molekülen und metall. Nanoantennen schwierig! (Z atom /Z antenne 10 6 ) 1) Quelle 1): Novotny & van Hulst Antennas for light nature photonics, vol.5, February 2011 Bildquelle: L. Novotny Effective Wavelength Scaling for Optical Antennas PhysRevLet. 98 June (2007)

10 # 10 Plasmonische Schaltkreise ein neuer Quantensprung? Halbleiter: sehr klein Photonik: hohe Bandbreiten Plasmonik hat beides! Neuartige Bauteile für neuartige Physik benötigt Bildquelle links: Novotny & van Hulst Antennas for light nature photonics, vol.5, February 2011 Bildquelle rechts: Brongersma et al. The case for Plasmonics, Science 328, 440 (2010)

11 # 11 Neuartiges Bauteil: Der PlasMOStor - Analogon in der Halbleiterelektronik: MOSFET Bildquellen beide:

12 # 12 Der PlasMOStor Jetzt in der Plasmonenelektronik : PlasMOStor Bildquellen: Oben: Links: J.Dionne et al. PlasMOStor: A Metal- Oxide-Si Field Effect Plasmonic Modulator Nano Lett., 2009, 9 (2), pp

13 # 13 Der PlasMOStor Bildquellen Alle: J.Dionne et al. PlasMOStor: A Metal-Oxide-Si Field Effect Plasmonic Modulator Nano Lett., 2009, 9 (2), pp

14 # 14 Der PlasMOStor Bildquellen Alle: J.Dionne et al. PlasMOStor: A Metal-Oxide-Si Field Effect Plasmonic Modulator Nano Lett., 2009, 9 (2), pp

15 # 15 Der PlasMOStor Bildquellen links, rechts oben: J.Dionne et al. PlasMOStor: A Metal-Oxide-Si Field Effect Plasmonic Modulator Nano Lett., 2009, 9 (2), pp Bildquelle mitte:

16 # 16 Vernetzung...? Logikstruktur bedingt durch Herstellungsprozess 2-dimensional Netzwerke oberhalb der Logikstruktur nötig um Verbindungen zu schaffen Bildquelle:

17 # 17 Resonant Wave Guided Networks RWGN - Resonant Wave Guided Networks: 2 Elemente bestimmen den Aufbau von RWGN: - Wellenleiter versch. Länge - Power-splitter (X-Junctions) Bildquelle: E. Feigenbaum, H. Atwater Resonant Wave Guided Networks PhysRevLett. 104 April 2010

18 # 18 Resonant Wave Guided Networks RWGN - Resonant Wave Guided Networks: - 2 Elemente bestimmen den Aufbau von RWGN: - Wellenleiter versch. Länge - Power-splitter (X-Junctions) - Resonanzen treten auf allein durch spezifische Struktur Bildquellen: E. Feigenbaum, H. Atwater Resonant Wave Guided Networks PhysRevLett. 104 April 2010

19 # 19 Resonant Wave Guided Networks - Simulationen ergeben: ausgeprägte Bandstruktur - Je nach Wahl der Wellenleiter und Querschnitte der X-Junctions ergeben sich vollständig unterschiedliche Bandstrukturen! Bildquelle: E. Feigenbaum, H. Atwater Resonant Wave Guided Networks PhysRevLett. 104 April 2010

20 # 20 Fazit Antennen: Völlig neue Anwendungen (Photovoltaik, Schaltkreise, uvm.) allerdings auch völlig neue Hürden zu meistern! (siehe: λ eff, Impedance-matching) Bildquelle rechts oben: H. Atwater: The Promise of Plasmonics, Scientific American, April 2007 pp.56-63

21 # 21 Fazit Plasmonische Schaltkreise: Der nächste Durchbruch in Sachen Rechnerleistung: Plasmonik! Bildquelle rechts oben: H. Atwater: The Promise of Plasmonics, Scientific American, April 2007 pp.56-63

22 # 22 Quellen 1) Novotny & van Hulst Antennas for light nature photonics, vol.5, February ) sdfsdf 3) Barnes, Dereux &Ebbesen Surface plasmon subwavelength optics, Nature 424, 14 August (2003) 4) Brongersma et al. The case for Plasmonics, Science 328, 440 (2010) 5) Zia et al. Plasmonics: The next chip-scale technology Materials Today, July-August (2006), vol. 9 6) E. Feigenbaum, H. Atwater Resonant Wave Guided Networks PhysRevLett. 104 April ) J.Dionne et al. PlasMOStor: A Metal-Oxide-Si Field Effect Plasmonic Modulator Nano Lett., 2009, 9 (2), pp ) L. Novotny From near-field optics to optical antennas Physics Today, July 2011 pp ) H. Atwater: The Promise of Plasmonics, Scientific American, April 2007 pp ) Antenna Theory Analysis and Design, Constantine A. Balanis, Wiley, ) L. Novotny Effective Wavelength Scaling for Optical Antennas PhysRevLet. 98 June (2007)