Optical Spectroscopy of Graphene and Gold Nanostructures

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Wolf, Daniela:
Optical Spectroscopy of Graphene and Gold Nanostructures.
2016 . - XI, 146 S.
( Dissertation, 2016 , Universität Bayreuth,Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

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Abstract

This thesis covers two prominent material systems in the still emerging field of nano-optics. On the one hand, we study the optical properties of graphene, from a general point of view as well as under symmetry breaking induced by strain. On the other hand, we make use of the plasmonic properties of gold nanostructures and investigate the generated nonlinear signals on a local scale. With both systems being promising candidates for nanophotonic applications, a spectroscopic investigation is of utmost importance to gain a deeper understanding of the interaction of these systems with light.

Graphene’s band structure exhibits a saddle point, which gives rise to a unique optical response in the visible and ultraviolet wavelength regime. Assuming a discrete excitonic state in the vicinity of the saddle point, a classical Fano model based on interference between a continuum of states and the discrete state can be applied. It reproduces very well both lineshape and position of the measured spectrum even down to infrared wavelengths. After a discussion of the general optical properties, we study the influence of strain on graphene. Unlike most other modifications, strain breaks the symmetry of the lattice and the band structure and is hence predicted to induce profound changes in the optical spectrum. In addition to a study of the response considering different substrate materials, we introduce Raman spectroscopy as a reference measurement to reliably quantify the amount of strain applied to the graphene flakes. However, our thorough investigations indicate that the Fano resonance in graphene is very robust towards strain as we do not observe strain-induced changes in the optical spectrum.

The second part of this thesis addresses the nonlinear optical properties of gold nanostructures. Whereas most investigations in nonlinear plasmonics focus on the enhancement of nonlinear processes and their spectral characteristics, we consider the spatial origin of the signals which is still under debate. Due to the coherence of the higher harmonics generation process, the third-harmonic emission from different emitting centers of a nanostructure interferes. In analogy to classical diffraction experiments, the interference pattern observed in the Fourier plane is very sensitive towards parameters such as separation and relative phase of the emitting spots. We use this method to accurately determine the high fields inside the nanostructures as the source of third-harmonic generation. Moreover, we show that the emission properties of an elongated plasmonic structure can be switched between a configuration with one emission spot in the center and a configuration with two spatially separated spots by slightly varying the excitation wavelength. Due to the third power dependence of the third-harmonic generation process, the near-fields generated in the vicinity of the particle switch accordingly. While assemblies of nanoparticles are commonly used to shape fields, we show that the local field can also be sculptured around a single, elongated nanostructure by taking higher-order plasmonic modes into account. This approach opens up a new direction for field shaping on the nanoscale.

Abstract in weiterer Sprache

Diese Dissertation befasst sich mit zwei bedeutenden Materialsystemen auf dem Gebiet der Nano-Optik. Auf der einen Seite untersuchen wir die optischen Eigenschaften von Graphen, sowohl unter allgemeinen Gesichtspunkten als auch bei von Dehnspannung hervorgerufenem Symmetriebruch. Andererseits nutzen wir die plasmonischen Eigenschaften von Gold-Nanostrukturen und analysieren die erzeugten nichtlinearen Signale auf einer lokalen Skala. Beide Systeme sind vielversprechende Kandidaten für nanophotonische Anwendungen, daher ist es von großer Bedeutung, mithilfe von spektroskopischen Untersuchungen ein
tieferes Verständnis über ihre Wechselwirkung mit Licht zu erlangen.

Graphens Bandstruktur weist einen Sattelpunkt auf, der zu einem charakteristischen optischen Spektrum im sichtbaren und ultravioletten Wellenlängenbereich führt. Wird ein diskreter exzitonischer Zustand in der Nähe des Sattelpunktes angenommen, kann ein klassisches Fano-Modell angewendet werden, welches die Kopplung zwischen einem Kontinuum von Zuständen und dem diskreten Zustand beschreibt. Das Modell führt im Hinblick auf Linienform und Position zu einer guten Übereinstimmung mit dem gemessenen Spektrum bis in den infraroten Bereich. Nach einer Diskussion der allgemeinen optischen Eigenschaften
untersuchen wir den Einfluss von Dehnspannung auf Graphen. Im Gegensatz zu den meisten Effekten wird hier die Symmetrie des Gitters und der Bandstruktur gebrochen, was zu tiefgreifenden Änderungen im optischen Spektrum führen sollte. Neben einer Analyse des Spektrums bei Verwendung unterschiedlicher Substratmaterialien stellen wir Raman-Spektroskopie vor, mit welcher die in den verschiedenen Messgeometrien angelegte Dehnspannung quantifiziert werden kann. Unsere Untersuchungen zeigen jedoch, dass die Fanoresonanz in Graphen sehr stabil auch gegenüber Dehnspannung ist, da keine Änderungen im optischen Spektrum beobachtet werden.

Der zweite Teil dieser Dissertation beschäftigt sich mit den nichtlinearen optischen Eigenschaften von Gold-Nanostrukturen. Während die meisten Studien in nichtlinearer Plasmonik sich auf die Verstärkung von nichtlinearen Prozessen und deren spektrale Charakteristik konzentrieren, betrachten wir den räumlichen Ursprung der Signale, der Gegenstand aktueller Diskussion ist. Aufgrund der Kohärenz des nichtlinearen Prozesses interferiert die Emission der dritten Harmonischen von verschiedenen, räumlich getrennten Emissionspunkten der Nanostruktur. In Analogie zu klassischen Beugungsexperimenten ist das im Fernfeld beobachtete Interferenzmuster sehr sensibel auf Parameter wie den Abstand und die relative Phase der Emissionsspots. Wir nutzen diese Methode um mit großer Genauigkeit zu bestimmen, dass die hohen Felder innerhalb der Nanostrukturen die Quelle der dritten Harmonischen sind. Zudem zeigen wir, dass durch Variieren der Anregungswellenlänge die Emission einer ausgedehnten plasmonischen Struktur zwischen einer Konfiguration mit einem zentralen Emissionspunkt und einer Konfiguration mit zwei räumlich getrennten Emissionspunkten geschalten werden kann. Durch die Potenzabhängigkeit der dritten Harmonischen verschieben sich die erzeugten Nahfelder in der Umgebung des Partikels auf gleiche Weise. Während üblicherweise räumliche Anordnungen von Nanopartikeln ausgenutzt werden um Felder zu formen, zeigen wir, dass auch das lokale Feld um eine einzelne, ausgedehnte Nanostruktur durch Berücksichtigung von Plasmonmoden höherer Ordnung kontrolliert werden kann. Dieser Ansatz eröffnet neue Möglichkeiten für das Formen von Feldern auf der Nanoskala.