Gouden nano-antenne interfereert met zichzelf
Hoewel hun eigenschappen in vele experimenten zijn bestudeerd, was het exacte stralingsmechanisme van plasmonische nanostaafjes en ridge antennes (antennes bestaande uit een opstaande rand) tot nu toe niet bekend. Onderzoekers van het FOM-instituut AMOLF hebben dit probleem nu opgelost, met gebruikmaking van een in eigen beheer ontwikkelde experimentele techniek waarmee ze de antennekarakteristiek met diep sub-golflengte ruimtelijke resolutie kunnen meten.
Door het exciteren van antennes bestaande uit gouden deeltjes met een hoog-energetische elektronenbundel met een breedte in de orde van een nanometer en de daaropvolgende detectie van de straling, waren ze in staat te meten welke kleuren licht de antennes uitzenden en in welke richting deze straling gaat. Uit deze resultaten kon worden afgeleid hoe de uitzending van de straling precies optreedt in deze structuren. Deze ontdekking is potentieel belangrijk voor vele toepassingen, zoals sensoren en optische computerchips. Het onderzoek is vorige week verschenen in het tijdschrift ACS Nano.
Ridge antennes
De onderzoekers fabriceerden ridge antennes bestaande uit gouden deeltjes door met een Ga+ ionenbundel het materiaal rondom de antenne te verwijderen. In zo’n opstaande rand kan licht zich binden aan een oppervlakte plasmon polariton (surface plasmon polariton (SPP)), dit is een ladingsgolf op een metalen oppervlakte die zich voortplant langs de rand. De eindvlakken van de rand gedragen zich als reflecterende spiegels voor deze golf, met staande golven (resonanties) in de antenne als gevolg, net zoals geluidsgolven staande golven kunnen creëren in orgelpijpen, maar dan 1.000.000 keer kleiner.
Cathodoluminescentie spectroscopie
Een door AMOLF ontwikkelde nieuwe techniek, genaamd hoek-bepalende cathodoluminescentie spectroscopie (angle-resolved cathodoluminescence spectroscopy (ARCIS)) werd gebruikt om de optische eigenschappen van deze antennes te bestuderen. In deze techniek worden de SPP’s gegenereerd door een 30 keV elektronenbundel in een scannende elektronenmicroscoop (SEM). Het uitgezonden licht wordt opgevangen door een parabolische spiegel en dan in beeld omgezet door een CCD camera. Deze techniek combineert diep sub-golflengte ruimtelijke resolutie met de mogelijkheid te bepalen in welke richting het licht wordt uitgezonden, wat het tot een ideale techniek om nano-antennes te bestuderen maakt.
Stralingsmechanisme
In het artikel tonen de onderzoekers aan dat de SPP aan de golfgeleider 'plakt' tijdens de voortplanting en alleen op de eindvlakken kan ontsnappen, waar de SPP vervolgens weer wordt omgezet in licht in de vrije ruimte. Deze eindvlakken gedragen zich als puntbronnen van lichtgolven die met elkaar interfereren, waardoor in sommige richtingen licht wordt uitgezonden met grote intensiteit en geen licht in andere richtingen. Dit effect lijkt erg op het in het water gooien van twee knikkers op verschillende plaatsen, waardoor twee cirkelvormige watergolven ontstaan die op sommige punten constructief en op sommige punten destructief met elkaar interfereren. In de toekomst kunnen nano-antennes gebruikt worden om de efficiëntie van leds, zonnecellen en biologische sensoren te vergroten.
Referentie
T. Coenen, E.J.R. Vesseur, en A. Polman, Deep-subwavelength spatial characterization of angular emission from single-crystal Au plasmonic ridge nanoantennas, ACS Nano DOI: 10.1021/nn204750d (2012).