Erzeugung von Oberflächenplasmonen mittels inelastischem Elektronentunneln

Diese Arbeit befasst sich mit der Herstellung und Charakterisierung von lichtemittierenden Tunnelkontakten. Eine an diese Kontakte angelegte Spannung bewirkt einen Tunnelstrom. Die tunnelnden Elektronen regen wiederum Oberflächenplasmonen an, welche durch Streuung als Licht ins Fernfeld abgestrahlt werden. Oberflächenplasmonen sind Oszillationen der Elektronendichte an Metalloberflächen. Sie werden durch eine elektromagnetische Welle, welche an die Oberfläche gebunden ist und sich an der Grenzfläche entlang ausbreiten kann, beschrieben. Die Anregung dieser Oberflächenwellen wird in Experimenten meist durch Lichtquellen wie Lasern realisiert. Es ist jedoch auch möglich, Oberflächenplasmonen durch geladene Teilchen zu erzeugen. Diese Arbeit setzt sich mit dem Anregen von Oberflächenplasmonen durch inelastisches Elektronentunneln auseinander. Es werden hierfür Metall-Isolator-Metall- (MIM) und Metall-Isolator-Halbleiter-Tunnelkontakte (MIS) hergestellt und charakterisiert. Ein angeregtes Oberflächenplasmon kann durch Streuung als Photon abgestrahlt werden. Dieses Licht wird im Rahmen dieser Arbeit genutzt, um die ablaufenden Prozesse zu analysieren. In den Untersuchungen gelang es, die Tunnelkontakte so herzustellen, dass sich ein fester Tunnelstrom einstellt. Durch Optimierung der Präparation und Materialwahl wurde weiterhin eine zeitlich stabile Lichtemission erzielt. Mittels der Kombination von Siliciumwafern mit monokristallinen Goldplättchen, konnten die Stabilität und die optischen Eigenschaften des emittierten Lichts optimiert werden. Darüber hinaus wurde ein hoher Polarisationsgrad erreicht, der mit amorphen Goldelektroden nicht möglich war. Die atomar flachen Goldplättchen führen weiterhin zur Unterdrückung von ungewünschter Plasmonenstreuung, welche auf Oberflächenrauheit zurückzuführen ist. Ebenso konnte gezeigt werden, dass in einer strukturierten Metallelektrode lokalisierte Oberflächenplasmonen angeregt werden. Hierdurch verändern sich charakteristische spektrale Eigenschaften des abgestrahlten Lichts. Die gewonnenen Erkenntnisse können dafür genutzt werden, extrem kleine Plasmonenquellen zu realisieren, welche sich direkt mit anderen plasmonischen Bauelementen, wie Wellenleitern, auf Chip-Niveau kombinieren lassen. Ebenso stellen die lichtemittierenden Tunnelkontakte robuste und schnelle elektro-optische Koppler dar.:Zusammenfassung 7 Abstract 8 Abkürzungen 9 1 Einleitung 11 2 Theorie 15 2.1 Elektrische Eigenschaften von Tunnelkontakten 15 2.2 Optische Eigenschaften von Tunnelkontakten 21 2.2.1 Elektrodynamische Beschreibung und Dispersionsrelation von Oberflächenplasmonen 21 2.2.2 Plasmonenanregung 24 2.2.3 Feldverteilung und Dispersionsrelation in Tunnelkontakten 25 3 Experimentelle Methoden 31 3.1 Probenherstellung 31 3.1.1 Präparation der Substrate 31 3.1.2 Monokristalline Goldflakes 32 3.1.3 Beschichtung 35 3.1.4 Photolithographie 38 3.1.5 Interferenzlithographie 40 3.1.6 Focussed Ion Beam Milling 45 3.2 Elektrische Charakterisierung 47 3.3 Optische Charakterisierung 48 3.3.1 Invertiertes optisches Mikroskop: Axiovert 200 48 3.3.2 Abbildung von Bildebene und Brennebene 50 3.3.3 Spektroskopie 51 3.3.4 Spektraler Messbereich und Transferfunktion 52 4 Al-Al2O3-Au Tunnelkontakte 57 4.1 Aufbau 57 4.2 Elektrische Eigenschaften 58 4.2.1 Stabilität und Schaltbarkeit 62 4.3 Optische Eigenschaften 65 4.3.1 Spektrale Eigenschaften 67 4.3.2 Emissionszentren 71 4.4 Morphologische Veränderungen 73 4.5 Zusammenfassung 76 5 Si-SiO2-Au Tunnelkontakte 79 5.1 Aufbau 79 5.2 Elektrische Eigenschaften 80 5.2.1 Ohmscher Kontakt zu Silicium 81 5.2.2 Einfluss der Dotierung 83 5.2.3 Einfluss des Isolatormaterials 85 5.2.4 Stabilität 86 5.3 Optische Eigenschaften 89 5.3.1 Spektrale Eigenschaften 90 5.3.2 Abstrahlcharakteristik und -mechanismus 92 5.3.3 Emission unterhalb des Quantenlimits 95 5.3.4 Emissionszentren 97 5.3.5 Stabilität der Emission 103 5.3.6 Strukturierte Tunnelkontakte 104 5.4 Zusammenfassung 114 6 Monokristalline Goldflakes 117 6.1 Besonderheiten der Goldflakes 117 6.2 Aufbau 120 6.3 Optische Eigenschaften 122 6.3.1 Spektrale Eigenschaften 125 6.3.2 Vergleich zu Si-SiO2-Au Tunnelkontakten 126 6.4 Tunnelkontakte mit strukturierten Flakes 128 6.5 Zusammenfassung 133 7 Zusammenfassung und Ausblick 135 Literatur 145This thesis deals with the fabrication and characterization of light emitting tunnel junctions. A voltage applied to these structures causes a tunneling current. The tunneling electrons in turn excite surface plasmons, which are scattered into photons that are emitted into the far field. Surface plasmon resonances are the collective oscillation of the electron density at a metal interface. Associated with them is an electromagnetic wave which is bound to the interface and can propagate along it. The excitation of these surface waves in experiments is often achieved by lightsources like lasers. It is, however, also possible to generate surface plasmons by charged particles. This work deals with the excitation of surface plasmons by inelastic electron tunneling. To investigate this, metal-insulator-metal (MIM) and metal-insulator-semiconductor (MIS) tunnel junctions are produced and characterized. The excited surface plasmons can be scattered and emitted as photons. This light is used to study the underlying processes. It was possible to produce the tunnel junctions in such a way that a stable tunnel current is achieved. By optimizing the preparation and choice of materials, a continous light emission without fluctuations was achieved. By combining silicon wafers with monocrystalline gold platelets, the stability and optical properties of the emitted light was optimized. Moreover, a high degree of polarization was achieved, which was not possible with amorphous gold electrodes. The atomically flat gold platelets further lead to the suppression of unwanted plasmon scattering, which is caused by surface roughness. It has also been shown that localized surface plasmons are excited in a structured metal electrode, which changes characteristic spectral properties of the emitted light. The knowledge gained can be used to realize extremely small plasmon sources, which can be combined directly with other plasmonic components, such as waveguides, on the chip level. Likewise, the light-emitting tunnel junctions are robust and fast electro-optical couplers.:Zusammenfassung 7 Abstract 8 Abkürzungen 9 1 Einleitung 11 2 Theorie 15 2.1 Elektrische Eigenschaften von Tunnelkontakten 15 2.2 Optische Eigenschaften von Tunnelkontakten 21 2.2.1 Elektrodynamische Beschreibung und Dispersionsrelation von Oberflächenplasmonen 21 2.2.2 Plasmonenanregung 24 2.2.3 Feldverteilung und Dispersionsrelation in Tunnelkontakten 25 3 Experimentelle Methoden 31 3.1 Probenherstellung 31 3.1.1 Präparation der Substrate 31 3.1.2 Monokristalline Goldflakes 32 3.1.3 Beschichtung 35 3.1.4 Photolithographie 38 3.1.5 Interferenzlithographie 40 3.1.6 Focussed Ion Beam Milling 45 3.2 Elektrische Charakterisierung 47 3.3 Optische Charakterisierung 48 3.3.1 Invertiertes optisches Mikroskop: Axiovert 200 48 3.3.2 Abbildung von Bildebene und Brennebene 50 3.3.3 Spektroskopie 51 3.3.4 Spektraler Messbereich und Transferfunktion 52 4 Al-Al2O3-Au Tunnelkontakte 57 4.1 Aufbau 57 4.2 Elektrische Eigenschaften 58 4.2.1 Stabilität und Schaltbarkeit 62 4.3 Optische Eigenschaften 65 4.3.1 Spektrale Eigenschaften 67 4.3.2 Emissionszentren 71 4.4 Morphologische Veränderungen 73 4.5 Zusammenfassung 76 5 Si-SiO2-Au Tunnelkontakte 79 5.1 Aufbau 79 5.2 Elektrische Eigenschaften 80 5.2.1 Ohmscher Kontakt zu Silicium 81 5.2.2 Einfluss der Dotierung 83 5.2.3 Einfluss des Isolatormaterials 85 5.2.4 Stabilität 86 5.3 Optische Eigenschaften 89 5.3.1 Spektrale Eigenschaften 90 5.3.2 Abstrahlcharakteristik und -mechanismus 92 5.3.3 Emission unterhalb des Quantenlimits 95 5.3.4 Emissionszentren 97 5.3.5 Stabilität der Emission 103 5.3.6 Strukturierte Tunnelkontakte 104 5.4 Zusammenfassung 114 6 Monokristalline Goldflakes 117 6.1 Besonderheiten der Goldflakes 117 6.2 Aufbau 120 6.3 Optische Eigenschaften 122 6.3.1 Spektrale Eigenschaften 125 6.3.2 Vergleich zu Si-SiO2-Au Tunnelkontakten 126 6.4 Tunnelkontakte mit strukturierten Flakes 128 6.5 Zusammenfassung 133 7 Zusammenfassung und Ausblick 135 Literatur 14