Nanoday S. Passinger, R. Kiyan, C. Reinhardt, A. Seidel und B. Chichkov

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Viktoria Martin
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1 Zwei-Photonen Polymerisation und ihre Anwendung in der Plasmonik Nanoday S. Passinger, R. Kiyan, C. Reinhardt, A. Seidel und B. Chichkov

2 Gliederung Zwei-Photonen Polymerisation Oberflächen Plasmonen Polaritonen Experimentelle Untersuchungen Zusammenfassung

3 Zwei-Photonen Polymerisation

4 Zwei-Photonen Polymerisation Vergleich von Mikro- und Nanostrukturierungstechniken Technologie Stückkosten Typische Substratabmessungen Auflösung Geschwindigkeit Flexibilität Maskenlithographie* 4 Wafer 30 nm** sehr schnell (paralleler Prozess) niedrig sehr unflexibel Nanoimprint- Lithographie # 4 Wafer 20 nm ## sehr schnell (paralleler Prozess) niedrig sehr unflexibel Elektronen-* / / Ionenstrahlschreiben** < 1 x 1 mm 2 3 nm sehr langsam (typisch < 100 µm/s) sehr hoch gut Mikro-Stereo- Lithographie* < 10 x 10 mm 2 5 µm mittel (typisch mm/s) hoch gut Zwei-Photonen- Polymerisation* x µm cm 2 * nm** Sehr mittel langsam (typisch < (typisch 100 µm/s) 30 mm/s)* hoch mittel sehr gut 2PP für die Herstellung plasmonischer Strukturen

unflexibel Elektronen-* / / Ionenstrahlschreiben** < 1 x 1 mm 2 3 nm sehr langsam (typisch < 100 µm/s) sehr hoch gut Mikro-Stereo- Lithographie* < 10 x 10 mm 2 5 µm mittel (typisch 1 200

5 Zwei-Photonen Polymerisation Das Prinzip der Zwei-Photonen Polymerisation hν UV + starter starter 2 hν fs + starter starter starter + monomer P 1 P i + monomer P i+1 P + P Abbruch Vorteile der 2PP: dreidimensional sehr gute Auflösung

starter starter + monomer P 1 P i + monomer P i+1 P + P

6 Auflösung und Prozessfenster Materialzerstörung Intensität, [a.u.] Prozessfenster Polymerisationsschwelle Keine Polymerisation Voxel= Volume pixel Voxeldurchmesser

7 Prinzipielles Setup

8 Strukturierungssystem wirkliche 3D Strukturierung in kommerziellen Photoresisten Auflösung 100 nm und skalierbar Schreibfläche 10 x 15 cm 2 auch für 2½-D Materialbearbeitung Schlüsselfertiges System oder kombinierbar mit bereits vorhanden Lasersystemen

Schreibfläche 10 x 15 cm 2 auch für 2½-D Materialbearbeitung

9 Zwei-Photonen Polymerisation 2D Strukturierung auf Metalloberflächen Mikroskopobjektiv Immersionsöl Glas Ormocer Laserstrahl Rahmen Goldschicht Glassubstrat C. Reinhardt et. al., Laser-fabricated dielectric optical components for surface plasmon polaritons, Opt. Lett. 31,

Goldschicht Glassubstrat C. Reinhardt et. al.

10 Zwei-Photonen Polymerisation 2D Strukturierung auf Metalloberflächen Mikroskopobjektiv Immersionsöl Glas Ormocer Laserstrahl Rahmen Goldschicht Glassubstrat erstmalig 2PP auf Metalloberflächen C. Reinhardt et. al., Laser-fabricated dielectric optical components for surface plasmon polaritons, Opt. Lett. 31,

Glassubstrat erstmalig 2PP auf Metalloberflächen C. Reinhardt et. al.

11 Parameter Variation

12 Prozessfenster

13 Großflächige Strukturierung 2µm fcc woodpile Struktur Strebendurchmesser <400 nm 1 x 1 mm 2 50 Schichten 25 m Schreiblänge Schreibgeschwindigkeit 30 mm/s 20 min

14 Großflächige Strukturierung

15 Mikromechanik

16 Nanokunst 2PP erlaubt einmalige 3D Strukturierung mit Auflösungen von 100 nm bis zu einigen µm

17 Oberflächen Plasmonen Polaritonen

18 Oberflächen Plasmonen Polaritonen (SPPs) 0 for 0 for ) ( 0, + < ± + ± = z z t z k x k i z x e E E ω = 0 + D zd M k zm k ε ε D M i k k c zi x,, i = + = ω ε Oberflächen Plasmonen Polaritonen H. Raether, Surface Plasmons, Springer Verlag 1988

D M i k k c zi x,, 2 2 2 i = + = ω ε Oberflächen Plasmonen

19 Oberflächen Plasmonen Polaritonen Dispersionsrelation k x = ω c ε Mε D ε + ε M D k x ωp 4πne ω SPP =, ωp = 1+ ε m D 0 2 kein Schnittpunkt zwischen Plasmon und Licht

20 Oberflächen Plasmonen Polaritonen Gitterkoppler k g = ω 2π sin( ) m c Θ ± 0 a ω 2π! ω ε k g = sin = c a c 1+ ε ( ) D Θ0 ± m = kx a g als Basis eines zusätzlichen Wellenvektors g g D

21 Oberflächen Plasmonen Polaritonen Attenuated total reflection coupler k x = ω ε P sin Θ 0 c ( ) ω = ck x ω = ε P ck x sin( Θ 0 ) Otto-Konfiguration Kretschmann-Konfiguration Materialwahl des Prismas als freier Parameter

22 Oberflächen Plasmonen Polaritonen Ausdehnung von SPPs I = I 0 e x / L, L = 1 2k '' x k x = k ' x + ik '' x λ ε M + ε D zem =, m = M, 2π ε m D für große k x : z ed 1 k x Luft-Gold Grenzschicht, λ=600 nm: z = e-gold 31 nm z e-luft = 280 nm Detektion nur durch Scanning-Near-field-Optical-Microscope (SNOM) oder Leakage Radiation Microscope (LRM)

23 Oberflächen Plasmonen Polaritonen Leakage Radiation Microscope

24 Oberflächen Plasmonen Polaritonen Leakage Radiation Microscope

25 Experimentelle Untersuchung plasmonischer Wellenleiter

26 Experimentelle Untersuchung plasmonischer Wellenleiter Idealer Krümmungsradius Effizienteste Transmission für r = 3 µm (43%)

27 Simulation plasmonischer Wellenleiter Standard Y-Splitter

28 Simulation plasmonischer Wellenleiter Standard Y-Splitter beste Transmission bei einer Kurvenlänge: 7 8 µm

29 Simulation plasmonischer Wellenleiter Reales Y-Splitter-Model S. Passinger et. al., Novel splitter design for surface plasmon polariton applications, Opt. Exp. 16, 19, (2008)

30 Simulation plasmonischer Wellenleiter Reales Y-Splitter-Model S. Passinger et. al., Novel splitter design for surface plasmon polariton applications, Opt. Exp. 16, 19, (2008)

31 Simulation plasmonischer Wellenleiter Reales Y-Splitter-Model sehr hohe Verluste bei Berücksichtigung der Herstellungsmöglichkeiten S. Passinger et. al., Novel splitter design for surface plasmon polariton applications, Opt. Exp. 16, 19, (2008)

32 Experimentelle Untersuchung plasmonischer Wellenleiter Y-Splitter

33 Experimentelle Untersuchung plasmonischer Wellenleiter Y-Splitter Bestes Ergebnis: d = 3 µm, L B = 7 µm Gute Übereinstimmung von Experiment und Simulation

34 Simulation plasmonischer Wellenleiter Cut-Splitter Design

35 Simulation plasmonischer Wellenleiter Cut-Splitter Design Transmission nur minimal erhöht (68% zu 71%)

36 Simulation plasmonischer Wellenleiter Reales cut-splitter Model

37 Simulation plasmonischer Wellenleiter Reales cut-splitter Model Erheblich verbesserte Defekttoleranz und Transmission

38 Experimentelle Untersuchung plasmonischer Wellenleiter Cut-Splitter

39 Experimentelle Untersuchung plasmonischer Wellenleiter Cut-Splitter

40 Experimentelle Untersuchung plasmonischer Wellenleiter Cut-Splitter Gute Übereinstimmung von Experiment und Simulation

41 Fazit Zwei-Photonen Polymerisation Prinzip Große Strukturierungsfläche Geschwindigkeitserhöhung 2D und 3D Strukturierung Herstellung von Wellenleitern auf Metall

42 Fazit Oberflächen Plasmonen Polaritonen Wellenleiter Vergleich zwischen Experiment und Simulation Prinzip des Leakage-Radiation Microscope Bester Krümmungsradius plasmonischer Wellenleiter Neuartiges Cut-Splitter-Design

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