Anregung, Propagation, Interferenz, Photoemission: Oberflächenplasmonpolaritonen in zeitaufgelöster Photoelektronenemissionsmikroskopie unter senkrechtem Lichteinfall
2017
Die vorliegende Arbeit beinhaltet Untersuchungen von Oberflachenplasmonpolaritonen. Dabei
handelt es sich um quantisierte Oszillationen der Elektronendichte an Metalloberflachen, die
sich in Form elektromagnetischer Wellen entlang der Oberflachen fortbewegen. Zur Beobachtung
dieserWellen wird die Methode der zeitaufgelosten Photoemissionselektronenmikroskopie
in senkrechter Lichteinfallsgeometrie verwendet. Mit Hilfe ultra-kurzer Laserpulse, die senkrecht
zur Oberflache einfallen, werden Oberflachenplasmonen zuerst an Gittern alsWellenpakete
angeregt. Ihr Zustand, wie zum Beispiel ihre Schwerpunktsposition oder ihre Intensitatsverteilung,
wird von absichtlich zeitverzogert ankommenden Laserpulsen abgefragt. Durch die Uberlagerung
der elektrischen Felder der Laserpulse und der Plasmonenpakete kommt es zur nichtlinearen
Photoemission von Elektronen aus dem Metall. Diese Elektronen werden vom elektromagnetischen
Linsensystem eines Elektronenmikroskops auf eine Vielkanalplatte gelenkt.
Die Anregung von SPPs an Gittern in Abhangigkeit der Polarisation der anregenden Laserpulse
und der Anzahl der Gitterstriche wird untersucht und dabei werden die Polarisationsabhangigkeit
der abfragenden Laserpulse fur den Photoemissionskontrast der SPP-Pakete und die Verbreiterung
des SPP-Signals im PEEM durch die Abfrage behandelt. Es wird gezeigt, dass die
longitudinale Komponente des elektrischen Feldes der Plasmonen masgeblich fur den Photoelektronenkontrast
verantwortlich ist. Bei der Beobachtung der Propagation von Oberflachenplasmonpolaritonen
werden Gruppen- und Phasengeschwindigkeiten bestimmt, derenWerte nahe
der Lichtgeschwindigkeit liegen. Auch kann die Bildung einer transienten, stehenden Welle
zwischen entgegengesetzt propagierenden Plasmonenpaketen, sowie die Interferenz orthogonaler
Plasmonen beobachtet werden. Ein weiteres Experiment zeigt eine “plasmonische Strahlteilung”
und eine Reflexion von SPPs um 90 in der Ebene.
Mittels speziell strukturierter Gitter, zum Beispiel in Form von Halb- und Vollkreisen, werden
Oberflachenplasmonen fokussiert und erreichen dabei bis zu dem Vierfachen ihrer Feldstarken.
Dadurch konnen Elektronen ohne Anwesenheit eines externen elektrischen Feldes genugend
Energiequanten aus dem plasmonischen Feld aufnehmen, um die Energiebarriere zum Vakuum
zu uberwinden. In den Spektren der sogenannten “plasmo-emittierten” Elektronen findet man
Emissionsplateaus deren Abstand Vielfache der gequantelten Plasmonenenergie entsprechen,
konkret dem Drei-, Vier- und Funffachen.
Des Weiteren werden sogenannte kurzreichweitige Plasmonen in dunnen plasmonischen Materialien
untersucht. IhreWellenlange betragt nur einem Bruchteil derWellenlange der anregenden
Laserpulse und sie propagieren mit wesentlich kleineren Phasen- und Gruppengeschwindigkeiten
von nur etwa einem Funftel der Lichtgeschwindigkeit. An Kreisstrukturen wird eine Fokussierung
der kurzreichweitigen Plasmonen auf ein Siebtel der Laserpuls-Wellenlange erreicht.
Als kleiner Ausblick wird die Spin-Bahn-Wechselwirkung der kurzreichweitigen Plasmonen an
spiralformigen Strukturen untersucht.
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