Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen

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1 Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen Alois Regensburger Scheinseminar WS 08/09 Optische Lithographie - Anwendungen, Grenzen und Perspektiven

2 Gliederung Physikalische Grundlagen - Oberflächenplasmonen (Surface Plasmon Polaritons SPP) - Das optische Nahfeld - Die perfekte Linse Plasmonische Superlinsen - Abbildung durch dünne Silberschicht - Abbildung durch Mehrfachschichten - Vergrößerung mit Mehrfachschichten - Auflösungsgrenzen Zusammenfassung und Ausblick Quellen Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 2

3 Physikalische Grundlagen Physikalische Grundlagen - Oberflächenplasmonen (Surface Plasmon Polaritons SPP) - Das optische Nahfeld - Die perfekte Linse Plasmonische Superlinsen - Abbildung durch dünne Silberschicht - Abbildung durch Mehrfachschichten - Vergrößerung mit Mehrfachschichten - Auflösungsgrenzen Zusammenfassung und Ausblick Quellen Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 3

4 Surface Plasmon Polaritons (SPP) Was sind Oberflächenplasmonen? Elektromagnetische Wellen, die sich nur zweidimensional entlang von Metalloberflächen ausbreiten können Exponentielles Abklingen ins Material hinein Spezielle Lösungen der Maxwell-Gleichungen Schon bei den Römern gab es Plasmon-Effekte (Lycurgus Cup) Quelle: [Timekelf] Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 4

5 Surface Plasmon Polaritons (SPP) (2) Grenzfläche zwischen Metall und Dielektrikum oder Vakuum Ausbreitung in x-richtung TM-polarisiert (H-Feld aus Ebene heraus) Ansatz für das H-Feld: Quelle: [Plasmonicfocus] Ausbreitung entlang Oberfläche Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 5

6 Surface Plasmon Polaritons (SPP) (3) Für den Wellenzahlvektor gilt: bei entstehen sehr große Wellenzahlvektoren Drude-Modell für Metalle: (wenn verlustfrei) für bei Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 6

7 Surface Plasmon Polaritons (SPP) (4) Dispersionsrelation der Oberflächenplasmonen an einer einzelnen Metallgrenzschicht (ohne Verluste): Oberflächenplasmonen für große k-vektoren bei Quelle: [Radkovskaya] Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 7

8 Gekoppelte Surface Plasmon Polaritons Dünne Metallschicht zwischen zwei (gleichen) Dielektrika: Oberflächenplasmonen an beiden Grenzschichten Kopplung der beiden evaneszenten Wellen Energiefluss durch die Metallschicht hindurch Symmetrisch oder antisymmetrisch gekoppelte Moden Quelle: [Smith] Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 8

9 Anregung von Surface Plasmon Polaritons Keine Anregung aus dem Freiraum möglich Möglichkeiten: Optische Nahfeldkomponenten von kleinen Objekten nahe der Oberfläche Quelle: [Zayats] Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 9

10 Das optische Nahfeld Wozu braucht man große Wellenzahlvektoren? Ein Objekt der Breite w im Ortsraum besitzt Fourierkomponenten bis Zur Abbildung sehr kleiner Objekte sind große Wellenzahlvektoren nötig Ortsraum Frequenzraum Quelle: [Radkovskaya] Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 10

11 Freiraumübertragung Bei der Übertragung im Freiraum werden alle Fourierkomponenten mit Objekte mit Größe abgebildet werden exponentiell gedämpft können im Fernfeld nicht Ortsraum Frequenzraum Quelle: [Radkovskaya] Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 11

12 Quellen: [Shamonina], [Pendry] Die perfekte Linse (nach Pendry) Für die perfekte Abbildung aller Nahfeldinformation ist Transferfunktion für alle nötig Pendry (2000): Schicht mit Brechzahl n = -1 macht perfekte Abbildung, auch für sub- Informationen Grund: exponentielles Anwachsen der Fourierkomponenten mit innerhalb des negativen Mediums Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 12

13 Die perfekte Linse (nach Pendry) (2) Die Idealvorstellung der perfekte Linse ist leider nicht praktisch umsetzbar: Ungedämpftes exponentielles Anwachsen aller Fourierkomponenten Felder nicht mehr integrabel Aufbau des perfekten Bildes dauert unendlich lange Perfekte Linse müsste aus unendlich kleinen Einheitszellen bestehen keine kleineren Strukturen können abgebildet werden Aber: z.b. dünne Silberschicht ( <0 aber >0) hat ähnliche Eigenschaften wie perfekte Linse Quelle: [Solymar] Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 13

14 Plasmonische Superlinsen Physikalische Grundlagen - Oberflächenplasmonen (Surface Plasmon Polaritons SPP) - Das optische Nahfeld - Die perfekte Linse Plasmonische Superlinsen - Abbildung durch dünne Silberschicht - Abbildung durch Mehrfachschichten - Vergrößerung mit Mehrfachschichten - Auflösungsgrenzen Zusammenfassung und Ausblick Quellen Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 14

15 Abbildung durch dünne Silberschicht Optische Nahfeldkomponenten mit hohen k-vektoren können SPPs an der Silberoberfläche anregen Kopplung der SPPs an beiden Grenzschichten Quelle: nach [Pendry] = 365nm Quelle: [Solymar] Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 15

16 Poynting Vector Streamlines Der Energiefluss durch eine dünne Silberschicht kann mit Poynting Vector Streamlines dargestellt werden: Zwischen zwei Linien fließt jeweils ein bestimmter Anteil der Energie Bildebene Silberschicht Objektebene Negative Brechung der Streamlines an jeder Grenzfläche Quelle: [Solymar] Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 16

17 Experimentelle Bestätigung (Fang et al. 2005) Struktur des Objekts Bild mit Silberschicht Bild ohne Silberschicht Auflösung von erreicht Quelle: [Fang] Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 17

18 Experiment mit SiC-Superlinse (Taubner et al. 2006) Auch SiC ist als Superlinsenmaterial geeignet (bei ca. 11 m Wellenlänge) Bild wird mit Scanning Near-field Optical Microscopy (SNOM) aufgenommen Auflösung von Quelle: [Taubner] Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 18

19 Dicke der Silberschicht Problem: Schichtdicke ist bei der Silberlinse sehr kritisch (je kleiner desto besser) Transferfunktion 40nm Dicke 20nm Dicke Perfekte Linse Perfekte Linse Silberlinse Silberlinse Silberschicht sollte nicht mehr als etwa 20nm dick sein Quelle: [Solymar] Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 19

20 Abbildung durch Mehrfachschichten Problem: dicke Silberschicht macht schlechte Abbildung Quelle: [Shamonina] Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 20

21 Abbildung durch Mehrfachschichten Problem: dicke Silberschicht macht schlechte Abbildung Lösung: mehrere dünne Schichten aus Silber Quelle: [Shamonina] Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 21

22 Abbildung durch Mehrfachschichten (2) Vergleich zwischen Einfach- und Mehrfachschicht bei gleicher Gesamtdicke von 80nm: 1 Schicht 2 Schichten 4 Schichten Je mehr Schichten desto besser (zumindest theoretisch) Quelle: [Solymar] Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 22

23 Vergrößernde Abbildung Alle bisher gezeigten Linsen machen 1:1-Abbildung des Objekts übertragene Nahfeldkomponenten sind hinter der Silberlense immer noch nicht ausbreitungsfähig Ziel: Vergrößerung der Sub- Feldkomponenten zu ausbreitungsfähigen Wellen andere Geometrie nötig Quelle: [Shamonina] Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 23

24 Vergrößernde Abbildung Alle bisher gezeigten Linsen machen 1:1-Abbildung des Objekts übertragene Nahfeldkomponenten sind hinter der Silberlense immer noch nicht ausbreitungsfähig Ziel: Vergrößerung der Sub- Feldkomponenten zu ausbreitungsfähigen Wellen andere Geometrie nötig Quelle: [Shamonina] Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 24

25 Zylindrische Mehrfachschichten zur Vergrößerung Simulation zeigt, dass zylindrische Anordnung zur Vergrößerung des Bildes führt: Quelle: [Shamonina] Vergrößerte Feldstrukturen sind im Fernfeld ausbreitungsfähig und können mit normalem Lichtmikroskop abgebildet werden Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 25

26 Experiment zur zylindrischen Linse (Liu et al. 2007) Beleuchtung mit = 365nm Quelle: [Liu] Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 26

27 Experiment zur zylindrischen Linse (Liu et al. 2007) (2) Zynlindrische Linse besteht aus 8 Lagen von 35nm Silber und 35nm Abbildung von Strukturen bis 125nm mit optischem Mikroskop Quelle: [Liu] Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 27

28 Experiment zur zylindrischen Linse (Liu et al. 2007) (3) Quelle: [Liu2] Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 28

29 Auflösungsgrenzen Physikalische Grundlagen - Oberflächenplasmonen (Surface Plasmon Polaritons SPP) - Das optische Nahfeld - Die perfekte Linse Plasmonische Superlinsen - Abbildung durch dünne Silberschicht - Abbildung durch Mehrfachschichten - Vergrößerung mit Mehrfachschichten - Auflösungsgrenzen Zusammenfassung und Ausblick Quellen Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 29

30 Auflösungsgrenzen - Cutoff Cutoff bei hohen Ortsfrequenzen (k-vektoren) Übertragungsfunktion fällt ab Cutoff-Frequenz steil ab Näherungsweise gilt: ; SPP-Resonanz Cutoff Plateau Beispieltransferfunktion für Silberschicht mit = -0.4, Dicke d = 10nm Quelle: [Solymar] Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 30

31 Auflösungsgrenzen Cutoff (2) Faktoren, die Cutoff beeinflussen: Verluste im Material je geringer, desto besser Aber: Bei zu geringen Verlusten Überhöhung der SPP-Resonanzen! Dicke je dünner desto besser, solange Näherungen gelten Anzahl der Schichten je mehr, desto mehr Verluste Unebenheiten/raue Oberfläche bei der Herstellung der Nanometer-Schichten Idealfall: vollkommen homogen und planar Prinzipiell gilt: Es können keine kleineren Strukturen als die Größe der Einheitszelle aufgelöst werden (in diesem Fall die Schichtdicke) Quelle: [Solymar] Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 31

32 Zusammenfassung und Quellen Physikalische Grundlagen - Oberflächenplasmonen (Surface Plasmon Polaritons SPP) - Das optische Nahfeld - Die perfekte Linse Plasmonische Superlinsen - Abbildung durch dünne Silberschicht - Abbildung durch Mehrfachschichten - Vergrößerung mit Mehrfachschichten - Auflösungsgrenzen Zusammenfassung und Ausblick Quellen Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 32

33 Zusammenfassung und Ausblick Potential der Plasmonischen Superlinse Auflösungsvermögen weit unterhalb der Wellenlänge Schnelle Aufnahmen von dynamischen Prozessen möglich Denkbare Anwendungen in Lithografie, Nanotechnologie und Biologie (Abbildung von Viren und DNS-Strukturen) Große Fortschritte in den vergangenen Jahren Probleme Objekt muss immer im Nahfeld der Superlinse sein Herstellung sehr anspruchsvoll Hohe Verluste der derzeit verwendeten Materialien Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 33

34 Quellen [Millersville] [Plasmonicfocus] [Timekelf] [Radkovskaya] "Near Field Imaging in Metamaterials" Anna Radkovskaya WiPSchool Paris14 April 2008 [Shamonina] Metamaterials: Near Field Imaging KSOP Summer School 2008, 21 August 2008, Bad Herrenalb [Smith] "Field profiles of coupled surface plasmon-polaritons" Lucy H. Smithy, Melita C. Taylor, Ian R. Hooper and William L. Barnes*, Journal of Modern Optics Vol. 55, No. 18, 20 October 2008, [Solymar] "Waves in Metamaterials" Laszlo Solymar and Ekaterina Shamonina, Oxford University Press [Fang] "Sub Diffraction-Limited Optical Imaging with a Silver Superlens" Nicholas Fang, Hyesog Lee, Cheng Sun, Xiang Zhang Science 308, 534 (2005) [Taubner] "Near-Field Microscopy Through a SiC Superlens" Thomas Taubner, Dmitriy Korobkin, Yaroslav Urzhumov,2 Gennady Shvets, Rainer Hillenbrand Science 15 Vol no. 5793, p (2006) [Liu] "Far-Field Optical Hyperlens Magnifying Sub-Diffraction-Limited Objects" Zhaowei Liu, Hyesog Lee, Yi Xiong, Cheng Sun, Xiang Zhang Science 23 March 2007, Vol no. 5819, p [Liu2] "Development of optical hyperlens for imaging below the diffraction limit" Hyesog Lee, Zhaowei Liu, Yi Xiong, Cheng Sun and Xiang Zhang, OPTICS EXPRESS Vol. 15, No. 24, 26 November 2007 [Smolyaninov] Magnifying Superlens in the Visible Frequency Range" Igor I. Smolyaninov,* Yu-Ju Hung, Christopher C. Davis Science 315, 1699 (2007); [Smolyaninov2] "Far-Field Optical Microscopy with a Nanometer-Scale Resolution Based on the In-Plane Image Magnification by Surface Plasmon Polaritons Igor I. Smolyaninov,1 Jill Elliott,2 Anatoly V. Zayats,2 and Christopher C. Davis1, PRL 94, (2005) [Zayats] "Nano-optics of surface plasmon polaritons" Anatoly V. Zayatsa, Igor I. Smolyaninovb, Alexei A. Maradudinc Physics Reports 408 (2005) [Zhang] "Superlenses to overcome the diffraction limit" Xiang Zhang and Zhaowei Liu Nature Materials, VOL 7, JUNE 2008 [Pendry] Negative Refraction Makes a Perfect Lens PHYSICAL REVIEW LETTERS VOLUME 85, NUMBER OCTOBER Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 34

35 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Alois Regensburger - Plasmonische Metamaterialien und Superlinsen 35