Nahfeldverstärkte Optomechanische Nanoresonatoren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dirk Plettemeier; Dr.-Ing. Danny Reuter
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 512904458

Kohärente akustische Schwingungen in plasmomechanischen Nanoresonatoren mit Frequenzen bis in den Terahertz-Bereich sind eine wichtige Eigenschaft im Hinblick auf extrem kleine und hoch integrierbare volloptische HF-Signalgeneratoren. Die damit verbundene Modulation intrinsischer dielektrischer Eigenschaften ermöglicht eine direkte Rückkopplung auf charakteristische Merkmale wie lokalisierte Oberflächenplasmonresonanzen (LSPR) und deren ausgeprägtes Extinktionsverhalten.Eine Integration dieser Eigenschaft in plasmonische Systeme, die mit moderner Silizium-Photonik kompatibel ist, wurde bisher aus mehreren Gründen nicht realisiert: (i) Optische als auch mechanische Verluste sind typischerweise in Top-Down hergestellten Nanostrukturen hoch. (ii) Die erreichbare Tiefe der spektralen Modulation ist derzeit aufgrund von größenbedingten Effekten begrenzt. (iii) Eine Modulation im oberen GHz-Bereich der dielektrischen Eigenschaften ist in plasmonischen Nanostrukturen wie bspw. Gold-Nanopartikel nur mit ausreichend kleinen Strukturgrößen möglich und daher nur für den UV / VIS-Spektralbereich geeignet.Im Mittelpunkt des Vorhabens stehen Nahfeld gekoppelte, doppelt-resonante plasmomechanische Nanoresonatoren, die für den NIR-Spektralbereich optimiert werden und eine spektrale Hybridisierung der LSPR aufweisen, die eine flexible Anpassung spektraler und mechanischer Eigenschaften ermöglicht. Im Gegensatz zu isolierten Nanostrukturen wird die Modulation der spektralen Eigenschaften mit einer verstärkten Modulation der elektromagnetischen Nahfeldkopplung zwischen den Elementen realisiert.Dieser Ansatz erfordert interpartikuläre Abstände im Bereich von ~10nm, was eine Herausforderung für klassische Top-down-Herstellungsverfahren darstellt. Bottom-up Methoden sind praktikabler im Hinblick auf die erforderliche Präzision und vorteilhafter hinsichtlich deutlich geringerer optischer und mechanischer Verluste. Aus diesem Grund wird eine DNA-Origami-Assemblierung von nasschemisch synthetisierten einkristallinen Nanopartikeln angewendet. Um einen sinnvollen Einsatz der assemblierten Nanoresonatoren in der integrierten Nanophotonik zu erreichen, muss eine selektive und ausgerichtete Immobilisierung einzelner Nanostrukturen aus der Nassphase realisiert werden. Zu diesem Zweck wird ein Dünnschichtsystem entwickelt, das eine topographisch unterstützte Oberflächenimmobilisierung ermöglicht.Für dieses Projekt haben sich zwei Gruppen mit starker Expertise in den Bereichen des Nanostrukturdesigns und deren Charakterisierung (TU Dresden, Professur für Hochfrequenztechnik) sowie in der Nanostruktur- und Mikroelektronikfertigung (TU Chemnitz, Optoelektronische Systeme) zusammengeschlossen. Durch Kombination der Erfahrungen, umfassende Analysen der spektralen und dynamischen Eigenschaften der einzelnen Nanostrukturen und den optimierten Herstellungsprozess werden wichtige Beiträge zum Verständnis neuartiger hochintegrierter optischer Nanobauelemente geleistet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen