Nahfelderhöhungen an photonischen Nanostrukturen

Die Maßschneiderung optischer Eigenschaften von photonischen Kristallen (PKs), und speziell Kristallenmembranen, im Hinblick auf die Wechselwirkung mit externen Strahlungsquellen, ermöglicht z.B. die Reflexions- und Feldenergieerhöhungseigenschaften zu beeinflussen. Letzteres verursacht, dass die Feldenergie, im Vergleich zur einfallenden Strahlung [1], in einem bestimmten Raumbereich nahe der PK-Oberfläche immens verstärkt werden kann. Dies bildet die Grundlage für die Interaktion mit oberflächennahen Emittern wie Quantenpunkten (QPs) [2,3]. Die Fähigkeit die optischen Eigenschaften z.B. durch numerische Methoden im Vorfeld zu bestimmen, kann demnach bedeutende Verbesserungen in den Bereich Biosensorik [4] oder LEDs [5,6] ermöglichen.

In unserer Arbeitsgruppe verbinden wir die Möglichkeiten PKs hausintern herzustellen, mit Fachkenntnissen zu hochakkuraten Finite-Elemente-basierten Simulationen unter Verwendung des Maxwell-Lösers JCMsuite, welches direkt in unserer Gruppe im Rahmen des BerOSE Joint Lab Anwendung findet.

Fluoreszenzsteigerung von Quantenpunkten durch Nahfelderhöhungen

Nahfeldenergieerhöhung tritt auf wenn ungebundene Moden des PKs durch externe Strahlungsquellen angeregt werden. Dementsprechend sind sie abhängig von der Einfallsrichtung der Strahlung und ihrer Wellenlänge. Wir haben gezeigt, dass die numerischen Felderhöhungsberechnungen Aufschluss über grundlegende Eigenschaften des PKs geben können, wie zum Beispiel im Fall von Anticrossing-Phänomenen  [7]; und dass sie die Fluoreszenz von Bleisulfid-QPs auf der PK-Oberfläche direkt Beeinflussen und Erhöhen können [2]. Abbildung 1 zeigt für letzteren Fall die Ergebnisse des Fluoreszenzerhöhungsexperiments in der oberen Zeile, im Vergleich zur Nahfeldenergieerhöhung aus Simulationen in der unteren Zeile. Wir erhielten Fluoreszenzerhöhungen von bis zu 50% und bringen sie in Zusammenhang mit den offensichtlichen ungebundenen Modenbändern in den unteren Darstellungen. Einige Bänder zeichnen sich sehr deutlich in den Fluoreszenzen ab, während andere die QPs in keine Weise zu beeinflussen scheinen. Diese Charakteristik erklären wir mithilfe von 3D lokalen Felderhöhungsvisualisierungen (Grafiken unter A und B), die die räumliche Verteilung der Moden zeigt. Die QPs können nur durch die Moden beeinflusst werden, deren Felderhöhungen in einem geeigneten Raumgebiet auftreten, sodass es einen Überlapp mit den QPs gibt (gezeigt in Beispiel B). Moden die sehr nahe an die Oberfläche des PKs gebunden sind (Beispiel A), weisen keine derartige Eignung auf. (Beachten Sie dafür auch das "Supplementary Material" zu [2].)

Increased-fluresence-quantum-dots

Gemessene Fluoreszenzerhöhungskarten (obere Zeile) und simulierte elektrische Feldenergieerhöhungskarten (untere Zeile). Die eingesetzten Grafiken zeigen dreidimensionale Feldenergieverteilungen für die beiden Punkte A und B. Die weißen Linien markieren die Grenzen des experimentellen Datensatzes. (von Barth et al.)