Titelaufnahme

Titel
Controlled coupling of quantum dots to plasmonic nanowires / vorgelegt von Christian Gruber
Verfasser/ VerfasserinGruber, Christian
Begutachter / BegutachterinKrenn Joachim ; Thomas Klar
Erschienen2013
Umfang150 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftGraz, Univ., Diss., 2013
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (GND)Photon / Nanostrukturiertes Material / Wechselwirkung / Photon / Nanostrukturiertes Material / Wechselwirkung / Online-Publikation / Nanodraht / Silber / Quantenpunkt / Kopplung <Physik> / Oberflächenplasmon
URNurn:nbn:at:at-ubg:1-51048 Persistent Identifier (URN)
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Controlled coupling of quantum dots to plasmonic nanowires [18.17 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die kontrollierte, gegenseitige Positionierung einzelner Photonenquellen und (nanostrukturierter) Materie ist ein zentraler Aspekt für die systematische Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie. Neben der Relevanz für die Grundlagenforschung ergibt sich dabei auch eine Vielzahl von technologischen Anknüpfungspunkten. In dieser Arbeit untersuchen wir die gezielte Kopplung von Quantenpunkten (quantum dots, QDs) an Gold- oder Silber-Nanodrähte. Im Gegensatz zur Lichtausbreitung in Glasfasern wird hier das Licht entlang der Oberfläche, gebunden an metallische Leitungselektronen, als so genannte Oberflächenplasmonen geführt. Dieser Effekt wird bis zu Drahtdurchmessern von einigen Nanometern beobachtet und erlaubt somit eine Fokussierung des elektrischen Feldes entlang der Drahtoberfläche. Werden Lichtemitter wie beispielsweise QDs in unmittelbarer Nähe positioniert, begünstigt diese eine effiziente, gegenseitige Kopplung. Aufgrund der Schwingungsdämpfung im Metall und Streuverlusten beschränken sich die Ausbreitungslängen jedoch auf einige Mikrometer.Mit Hilfe der Elektronstrahllithographie werden Silber-Nanodrähte mit einem Querschnitt von einigen zehn Nanometern und einer Länge von wenigen Mikrometern hergestellt. An den Drähten werden mit weiteren Lithographiemasken QDs präzise ausgerichtet positioniert. An diesen Hybridstrukturen demonstrieren wir sowohl die Anregung der Oberflächenplasmonen durch die QDs, als auch die Anregung von QDs durch die Plasmonen. Die effiziente Kopplung an die Drahtplasmonen wird sowohl durch die spektrale Analyse der QD Fluoreszenz als auch durch zeitaufgelöste Lebensdauermessungen untersucht. Zusätzlich realisieren wir die Kopplung zweier spektral unterschiedlicher QDs (Donor und Akzeptor) an den Enden desselben Nanodrahtes und können damit den Energietransfer von Donor zu Akzeptor experimentell nachweisen.

Zusammenfassung (Englisch)

The deterministic position control of an individual single photon emitter relative to (nanostructured) matter is a central requirement to allow the systematic study of the fundamentals of light-matter interaction. Besides its relevance for basic research the implications for technological applications are manifold. Here, we study the controlled coupling of nanoscale fluorescent semiconducting quantum dots (QDs) to gold and silver nanowires. These wires support propagating surface plasmons (SPs), i.e. free electron oscillations at a metal-dielectric interface coupled to a bound light field. In contrast to light modes in dielectric materials, SPs can be squeezed to subdiffraction volumes, enabling highly confined light guiding. Furthermore, the strong lateral electromagnetic field confinement to nanometer dimensions along the wire enables an effective coupling to nearby deposited QDs. However, damping in the metal restricts SP propagation to distances of a few micrometers, which is a quite important limitation.With a lithographic fabrication process we precisely align QDs at predefined positions relative to silver nanowires with cross sections of a few tens of nanometers and micrometer lengths. By characterizing single hybrid structures, both the excitation of propagating nanowire SPs by QDs and the excitation (addressing) of QDs by SPs is demonstrated. The experiments reveal that the QD fluorescence is strongly modified by the additional plasmonic decay channel provided by the nanowire. We experimentally observe standing SP wave signatures of the nanowire in the QD fluorescence spectrum and a significant increase of the fluorescence decay rate. We furthermore accomplish the coupling of two spectrally distinct QDs (donor and acceptor) to the two ends of a nanowire and observe plasmon-mediated energy transfer over micrometer distances from donor to acceptor QDs.

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