Tunable plasmonic properties of nanostructures fabricated by shadow nanosphere lithography

Abstract

In this thesis we investigate the structural as well as optical properties of our by means of nanosphere lithography fabricated nanostructures. We can thereby control the fabrication process to get arrays of nanostructures such as quasitriangular shaped nanoislands, subwavelength holes, as well as grating like oriented nanowires. The various structural characterization methods presented here revealed a crucial dependence of the sample preparation process on the final form of the structure. It could be demonstrated that by changing the sphere size of the mask building polystyrene latex spheres and by altering the material deposition angle, the geometry of the structure could be controlled. As deposition materials, however, we carefully chose three metals: Gold for its well known and desired plasmonic response, aluminum as a “lossy” metal, and iron for its magnetic properties. The optical characterization of the samples was carried out in the far as well as in the near field. We used therefore standard spectroscopic techniques and near-field optical microscopy. The studies revealed that the optical response of the gold samples was mainly due to the coupling of the light to surface plasmons. This excitation of surface plasmon polaritons was responsible for the measured enhanced transmission of the light through, e.g., our subwavelength hole arrays. Furthermore we could show that the plasmonic response can be controled by judicious choice of structure morphology.

In dieser Arbeit werden strukturelle und optische Eigenschaften unserer durch Nanosphere-Lithographie erstellten Nanostrukturen untersucht. Mit Hilfe dieser Methode können wir den Wachstumsprozess beeinflussen, um verschiedene nanostrukturierte Oberflächen, wie zum Beispiel quasi-dreieckige Nanoinseln, Sub-Lambda-Löcher (Löcher mit einem Durchmesser kleiner als die Wellenlänge des Lichtes) und gitterartig ausgerichtete Nanodrähte zu erhalten. Die verschiedenen in der Arbeit vorgestellten strukturellen Untersuchungsmethoden zeigen eine starken Einfluss des Präparationsvorgangs auf die sich ergebende Morphologie sowie den daraus resultierenden Eigenschaften der Nanostrukturen. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Wahl der Größe der Polystyrol-Kugeln aus denen die Maske besteht, sowie Veränderung des Aufdampfwinkels die Geometrie der Struktur kontrolliert beeinflusst werden kann. Als Materialien für die Schicht wurden bewusst drei verschiedene Metalle gewählt: Gold wegen seiner gut bekannten und erwünschten optischen und plasmonischen Eigenschaften, Aluminium als optisch dämpfendes Metall und Eisen wegen seiner magnetischen Eigenschaften. Die optische Charakterisierung der Proben wurde sowohl im Fern- wie im Nahfeld durchgeführt. Es wurden spektroskopische Standardverfahren und Nahfeldmikroskopie verwendet. Im Verlauf er Arbeit wurde nachgewiesen, dass die optische Antwort der Goldproben von der Wechselwirkung zwischen Licht und Oberflächenplasmonen bestimmt wird. Die Anregung von Plasmon-Polaritonen führt zu der gemessenen verstärkten Transmission durch Strukturen wie den periodischen Sub-Lambda-Löchern. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die plasmonische Antwort durch Wahl einer passenden Morphologie gezielt beeinflusst werden kann, wodurch sich viele Anwendungsperspektiven ergeben.