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Investigations of nonlinear surface-wave phenomena and anisotropic photoluminescence of nano-film structures via two-dimensional k-space spectroscopy
Heckmann, Jan
The investigation of surfaces and thin films is of particular interest in current research as it provides a basis for a multiplicity of applications such as waveguides, sensors, solar cells and optoelectronics. The origins of complex phenomena on surfaces and in thin films can be revealed by applying angle-resolved spectroscopy in two dimensions: the angle of incidence is scanned while analyzing the full emission spectrum in terms of exit angle and emission energy.
The interface of a metal layer and a dielectric can support collective electron plasma resonances, i.e. surface plasmon polaritons, which are accompanied by giant field enhancement while propagating along the interface. We characterize the Kretschmann and the Otto coupling configuration in terms of their coupling efficiency and their impact on the surface plasmon resonance as a function of wave-vector. Although being commonly considered as equivalent in terms of plasmonic coupling, we identify differing dependencies of their respective coupling efficiency on the coupling layer thickness and the excitation wavelength which is fundamental for sensing applications.
Provided that a metal layer is embedded in a symmetric cladding in terms of its dielectric function and the film thickness is reduced to the order of λ/10, modes from both interfaces can couple and propagate as long-range surface waves. Surprisingly, even intrinsically absorbing films support low-loss surface waves, whose propagation length can become arbitrarily long in the limit of vanishing film thickness. This phenomenon requires only that the material’s dielectric function be predominantly imaginary over that particular range of optical frequencies.
Furthermore we show that the orientation of transition dipole moments inside thin monolayer films of effective media that contain oriented CdSe nano-platelets can be determined by applying k-space spectroscopy. Thus we determine electronic and dielectric contributions to the emission anisotropy and reveal the intrinsic nature of the directionality in the emission. We show that this phenomenon is related to the anisotropy of the electronic Bloch states that govern the transition dipole moment of the exciton.
Beyond the linear investigation of surfaces and thin films, 2D-k-space spectroscopy can provide an insight into the principles of nonlinear wave-mixing interactions. The role of surface plasmons in second harmonic generation, whether they act as field-enhancing catalysts or as quasiparticles converted in the interaction can be revealed by k-space spectroscopy: by way of the signature in k-space, we identify a nonlinear interaction where two surface plasmons annihilate to create a second-harmonic photon as well as the interaction of a plasmon and a photon by virtue of a degenerate three-wave mixing process.
We analyze the intrinsic origin of surface plasmon enhanced second harmonic generation in metal films by comparing the absolute nonlinear yield in attenuated internal reflection configurations to theoretical calculations based on the hydrodynamic model. A first estimation of the nonlinear parameters in the hydrodynamic model is given and the contributions of the bulk and surface source are determined, showing that the in-plane surface source is stronger than predicted.
For absorbing thin films however, we report the first evidence of field enhancement and long-range surface wave enhanced second harmonic generation. Here, we identify the out-of-plane surface source to have the strongest contribution to the second harmonic yield.As the nonlinear susceptibility of a material can greatly increase if the probing frequency approaches an absorption resonance, absorbing materials can indeed be considered as low-loss optical media for doing surface-wave optics in the nonlinear regime.
We show further, that, in contrast to the isotropic linear absorption, the two-photon absorption in oriented nano-platelets is highly anisotropic. This transition dipole orientation is dependent on the probabilities of the involved processes and their selection rules. We demonstrate that an additional silver layer covered with SiO2 enables surface plasmon enhanced excitation of oriented nano-platelets, boosting the photoluminescent emission which is highly directed through coupling to the plasmonic mode. The combination of TPA and the plasmonic resonance even leads to further concentration of the absorption range as a function of excitation wave-vector.
In summary, this work has shown that 2D-k-space spectroscopy –as applied to solid surfaces, thin films and nano-particles– provides insight into the intrinsic material proper- ties, as well as the surface-wave and radiation phenomena supported by these structures.
Die Erforschung von Oberflächen und dünnen Schichten ist für die Forschung besonders interessant, da zahlreiche Anwendungen wie Wellenleiter, Sensoren, Solarzellen oder optisch-elektronische Geräte darauf beruhen. Die Ursprünge komplexer Oberflächenphänomene können durch winkelaufgelöste Spektroskopie in zwei Dimensionen aufgedeckt werden: während der Anregungswinkel durchgestimmt wird, wird das gesamte Emissionsspektrum als Funktion der Austrittswinkel und der Energie analysiert.
An der Grenzschicht zwischen einem Dielektrikum und einem Metall können Resonanzen kollektiver Elektronenschwingungen, so genannte Oberflächenplasmonen auftreten. Während ihrer Propagation entlang der Grenzschicht, werden sie von großen Feldverstärkungen begleitet. Wir charakterisieren die Otto- und die Kretschmann-Koppelanordnung bezüglich ihrer Kopplungseffizienz und ihres Einflusses auf die Oberflächenplasmon-Resonanz. Obwohl beide Anordnungen gewöhnlich als equivalent in Bezug auf die Anregung von Plasmonen angesehen werden, identifizieren wir Unterschiede: die jeweiligen Koppeleffizienzen unterscheiden sich deutlich in ihrer Abhängigkeit von der Dicke der Kopplungsschicht und der Anregungswellenlänge, was ausserordentlich wichtig für z.B. Sensoren ist.
Für dünne Metallschichten in dielektrisch symmetrischer Umgebung und unter der Voraussetzung sehr dünner Schichten von der Grössenordnung λ/10, können Moden von beiden Grenzschichten miteinander koppeln und sich als langreichweitige Oberflächenwellen ausbreiten. Überraschenderweise existieren solche Oberflächenwellen auch in absorbierenden Materialien, in denen die Propagationslänge sogar beliebig lang werden kann, wenn die Schicht infinitesimal dünn wird. Die einzige Bedingung ist, dass der Imaginärteil die dielektrische Funktion in dem entsprechenden Frequenzbereich dominiert.
Darüber hinaus zeigen wir, dass die Orientierung von Übergangsdipolmomenten in dünnen Monolayer-Schichten, die orientierte Nano-Plättchen beinhalten, durch k-Raum- Spektroskopie bestimmt werden kann. Wir unterscheiden elektronische von dielektrischen Beiträgen zur Emissions-Anisotropie und enthüllen den Ursprung gerichteter Emission, der auf die Anisotropie der elektronischen Bloch-Zustände zurückzuführen ist, die das Übergangs-Dipolmoment des Exzitons bestimmt.
Zusätzlich zur linearen Erforschung von Oberflächen und dünnen Schichten, gewährt 2D-k-Raum-Spektroskopie Einblick in die Grundlagen nichtlinearer Wellenmisch-Prozesse. Die Rolle des Oberflächenplasmons in der Wechselwirkung, ob es sich um einen feld-verstärkenden Katalysator oder ein Quasiteilchen, das umgewandelt wird, handelt, kann
durch k-Raum-Spektroskopie geklärt werden. Durch ihre Signatur im k-Raum identifizieren wir das Entstehen eines frequenz-verdoppelten Photons durch die Auslöschung zweier Plasmonen und auch die Wechselwirkung eines Plasmons mit einem Photon in entarteten Drei-Wellen-Mischprozessen.
Wir analysieren weiter den intrinsischen Ursprung der Verstärkung von harmonischer Strahlung zweiter Ordnung durch die Anregung von Oberflächenwellen in metallischen Filmen, indem wir Absolutwerte der harmonischen Intensität, gemessen in verhinderter Totalreflexion, mit Berechnungen basierend auf dem hydrodynamischen Modell vergleichen. Eine erste Abschätzung der nichtlinearen Parameter des hydrodynamischen Modells wird gegeben und die Beiträge von Quellen an den Oberflächen und innerhalb der Schicht werden bestimmt, wobei sich die in der Grenschicht liegende Oberflächenquelle als Stärkste erweist.
Für absorbierende dünne Schichten erbringen wir den ersten Nachweis von Feldverstärkung durch langreichweitige Oberflächenwellen und daraus resultierende frequenz-verdoppelte Strahlung. Hier liefert die aus der Oberfläche heraus gerichtete Quelle den grössten Beitrag. Da die Nichtlineare Suszeptibilität im Bereich einer Absorptions-Resonanz deutlich erhöht sein kann, kommen absorbierende Materialien tatsächlich für nichtlineare Optik mit langreichweitigen Oberflächenwellen in Frage.
Darüber hinaus zeigen wir, dass im Gegensatz zur isotropen linearen Absorption, die zwei-Photonen-Absorption in orientierten Nano-Plättchen stark anisotrop ist. Diese Orientierung der Übergangs-Dipolmomente führen wir auf die Übergangs-Wahrscheinlichkeiten und die Auswahlregeln zurück. Wir zeigen, dass eine zusätzliche Silberschicht, bedeckt mit einer dünnen SiO2-Schicht, die Oberflächen-Wellen-verstärkte Anregung orientierter Nano-Plättchen ermöglicht, was zu erhöhter Photolumineszenz führt, welche gleichfalls an die plasmonische Mode koppelt und stark gerichtet abstrahlt. Die Kombination von Zwei-Photonen-Absorption und Plasmonischen Resonanzen führt sogar zu noch stärkerer Konzentration der Absorption in Bezug auf ihren Wellen-Vektor.
Zusammenfassend haben wir gezeigt, dass 2D-k-Raum-Spektroskopie –angewendet auf Festkörper-Oberflächen, dünne Schichten und Nano-Teilchen–Einblicke in intrinsische Materialeigenschaften gewährt und die Analyse von Oberflächenwellen und damit zusammenhängender Strahlung ermöglicht.
