Infrarot-Spektroskopie mit Nanostrukturen

 

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  Gerät zu Infrarot-Spektroskopie mit Nanostrukturen Urheberrecht: © RWTH Aachen FTIR on IR Antennas

Traditionelle Fernfeld-IR-Mikroskopie

Auch die traditionelle Fernfeld-IR-Mikroskopie wird zur Untersuchung von resonanten Nanostrukturen für Infrarotlicht in der Forschungsgruppe von Prof. Thomas Taubner eingesetzt: Metallische Nanostrukturen können als „Antennen“ für Infrarotlicht dienen und (ähnlich wie die Tastspitze im SNOM) zu lokal verstärkten elektromagnetischen Feldern führen. Zudem können die Amplitude und Phase des transmittierten oder gestreuten Lichts beeinflusst werden.

Surface Enhanced Infrared Absorption (SEIRA)

Die Feldüberhöhung an den resonanten Nanoantennen kann für die oberflächenverstärkte Infrarotabsorption (engl. “Surface Enhanced Infrared Absorption“, SEIRA) zum Nachweis von kleinsten Molekülkonzentrationen verwendet werden, was großes Interesse in den Themenfeldern wie, zum Beispiel, der Medizin und (Bio)Sensorik erweckt. Dieser Forschungsbereich ist vor allem in der Anfangsphase der Forschungsgruppe bearbeitet worden.

Im Rahmen dieser Forschungstätigkeiten enstanden unter anderem folgende Publikationen:

„Incident Angle-Tuning of Infrared Antenna Array Resonances for Molecular Sensing”
T.W.W. Maß and Thomas Taubner.
ACS Photonics, 2, 1498-1504 (2015).

„Optical properties of single infrared resonant circular microcavities for Surface Phonon Polaritons“
T. Wang, P. Li, B. Hauer, D.N. Chigrin and T. Taubner.
Nano Letters, 13, 5051-5055 (2013).

“Mapping infrared antenna resonances of particle arrays fabricated by colloidal lithography”
J.M. Hoffmann, X. Yin, T.W.W. Mass, J. Richter, A. Hartung and T. Taubner.
Journal of physical Chemistry C, 117, 11311-11316 (2013).

“Surface enhanced infrared spectroscopy with gold strip gratings”
T. Wang, V.H. Hguyen, A. Buchenauer, U. Schnakenberg and T. Taubner.
Optics Express, 21, 9005-9010 (2013).

  Diagramm zu Phasenwechselmaterialien Urheberrecht: © RWTH Aachen phase-change nanooptics

Aktive Metaoberflächen mit Phasenwechselmaterialien

Den Einfluss von Nanostrukturen auf die Amplitude und Phase von transmittiertem oder gestreutem Licht wird im Themengebiet der Metaoberflächen (engl. „Metasurfaces“) ausgenutzt, um Lichtwellenfronten zu manipulieren. Auf den Metasurfaces werden Nanoantennen auf Subwellenlängen-Skalen angeordnet, um „effektive Materialeigenschaften“ zu erzeugen. Damit lassen sich ultradünne Metaoptiken realisieren, mit Funktionalitäten wie Strahlablenkung, Lichtfokussierung, Lichtabsorption, Polarisationsfilterung oder Holographie.
Normalerweise sind diese Funktionalitäten nach dem sehr aufwändigen Herstellungprozess fix und können nicht weiter angepasst werden. Eine Möglichkeit solche Änderungen auch nach der Fabrikation noch zu ermöglichen, stellen die Phasenwechselmaterialien (engl. „Phase-Change Materials“, PCM) da. Diese lassen sich reversibel zwischen amorpher und kristalliner Phase schalten, wodurch sich ihre optischen Eigenschaften massiv ändern. Dadurch lassen sich die Resonanzpositionen der infraroten Antennen anpassen und aktive Metaoptiken umsetzen (z.B. Ändern des Fokus, der Polarisationsrichtung oder der Absorptionswellenlänge). Für das gezielte Schalten der PCM wurde ein eigenes Laser-Setup aufgebaut. Das lokale Adressieren des Phasenwechselmaterials mit dem Laser ermöglicht das Modifizieren von Amplitude und Phase auf Pixelebene von unter einem Mikrometer. Einzelne Antennen können so lokal verändert werden. Mit dem selbstgebauten Laser-Setup ist es außerdem möglich Nanoantennen innerhalb von Sekunden direkt in eine PCM-Dünnschicht zu schreiben, wofür konventionelle Lithographieverfahren Tage benötigen würden. Unterstützt durch die Expertise im Bereich Phasenwechselmaterialien von der Forschungsgruppe von Prof. Wuttig, kann die Gruppe von Prof. Taubner neue Phasenwechselmaterialien und Erkenntnisse über diese schnell und direkt in ihre Forschung einfließen lassen. So wurden zum Beispiel Phasenwechselmaterialien mit reduzierten optischen Verlusten oder sogar schaltbaren metallischen Eigenschaften im Infraroten identifiziert.

Betreut wird dieser Forschungsbereich von den Doktoranden Lukas Conrads und Andreas Heßler.

Im Rahmen dieser Forschungstätigkeiten entstanden unter anderem folgende Publikationen:

„In3SbTe2 as a programmable nanophotonics material platform for the infrared”
A. Heßler, S. Wahl, T. Leuteritz, A. Antonopoulos, C. Stergianou, C.-F. Schön, L. Naumann, N. Eicker, M. Lewin, T. W. W. Maß, M. Wuttig, S. Linden and T. Taubner.
Nature Communications, 12, 924 (2021).

„All‐Dielectric Programmable Huygens’ Metasurfaces“
A. Leitis, A. Heßler, S. Wahl, M. Wuttig, T. Taubner, A. Tittl and H. Altug.
Advanced Functional Materials, 30, 1910259 (2020).

“Advanced Optical Programming of Individual Meta-Atoms Beyond the Effective Medium Approach”
A.-K. U. Michel, A. Heßler, S. Meyer, J. Pries, Y. Yu, T. Kalix, M. Lewin, J. Hanss, A. De Rose, T. W. W. Maß, M. Wuttig, D. N. Chigrin and T. Taubner.
Advanced Materials, 31, 1901033 (2019).

“A Switchable Mid-Infrared Plasmonic Perfect Absorber with Multispectral Thermal Imaging Capability”
A. Tittl, A.-K. U. Michel, M. Schäferling, X. Yin, B. Gholipour, L. Cui, M. Wuttig, T. Taubner, F. Neubrech and H. Giessen.
Advanced Materials, 27, 4597 (2015).

“Using low-loss phase-change materials for mid-infrared antenna resonance switching”
A.-K. U. Michel, D. Chigrin, T.W.W. Mass, K. Schönauer, M. Salinga, M. Wuttig and T. Taubner.
Nano Letters, 13, 3470-3475 (2013).

Sollte Interesse an einer Abschlussarbeit bestehen, können Sie gerne eine Mail an den betreuenden Doktoranden schicken.