Zweidimensionale Plasmonen

Plasmaschwingungen oder Plasmonen ermöglichen es, Licht­wellen in Nano­strukturen unter­zubringen und elektronisch zu verarbeiten. Forscher in Spanien haben jetzt ausgelotet, wie stark man die Plasmonen senkrecht zur Ausbreitungs­richtung komprimieren kann. An der Grenz­fläche einer elektrisch leitenden Schicht und eines Di­elektrikums kann man mit Licht­wellen Plasma­schwingungen anregen, die sich gemeinsam mit dem elektro­magnetischen Feld entlang der Grenz­schicht ausbreiten. Diese Ober­flächen­plasmonen haben dieselbe Frequenz wie das anregende Licht, jedoch ist ihre Wellen­länge viel kleiner. So passen sie in Mikro- und Nano­strukturen, die sie elektronisch verarbeiten können. Ziel dieser Plasmonik ist der optische Computer, der statt mit Elektronen mit Licht und Plasmonen arbeitet.

Ganz neue Möglichkeiten für die Opto­elektronik und die Plasmonik eröffnen Van-der-Waals-Hetero­strukturen. Diese bestehen aus über­einander gestapelten mono­atomaren Schichten, die nicht durch chemische Bindungen sondern durch Van-der-Waals-Kräfte zusammen­gehalten werden. Beispiele für solche Schichten sind das halb­metallische Graphen und das nicht­leitende hexagonale Bor­nitrid als Di­elektrikum.

Anhand solcher Heterostrukturen haben Frank Koppens und seine Mitarbeiter vom ICFO in Castell­defels untersucht, wie stark sich Plasmonen senkrecht zu ihrer Ausbreitungs­richtung komprimieren lassen. Sie wollten klären, ob sich im Extrem­fall die Plasmonen auch noch entlang der Grenz­fläche zweier mono­atomarer Schichten aus Graphen und aus Bor­nitrid ausbreiten können, ohne dabei zu stark gedämpft zu werden.

Solch eine Heterostruktur bestand aus einlagigem Graphen auf einer elektrisch isolierenden Silizium­dioxid­schicht, die sich auf einer Silizium­unterlage befand. Das Graphen war von einer isolierenden Schicht bedeckt, die entweder aus mehrere Nano­meter dickem Aluminium­oxid oder aus hexa­gonalem Bor­nitrid bestand, das nur eine Atom­lage dick war. Auf dieser Deck­schicht befanden sich regel­mäßig angeordnete Gold­stäbchen, durch die Infra­rot­wellen ein­gekoppelt wurden, die die Plasmonen anregten. Eine Gate-Spannung zwischen Silizium und Graphen variierte die Fermi-Energie des Graphens und veränderte dadurch dessen plasmonische Eigenschaften.

Wie gut sich die Plasmonen in der Hetero­struktur anregen ließen, untersuchten die Forscher, indem sie die Abschwächung der Infrarot­strahlung durch die Hetero­struktur untersuchten. Dabei zeigten sich mehrere Resonanzen bei unterschiedlichen Licht­wellen­längen. Es wurden also verschiedene plasmonische Moden angeregt. Mit Computer­simulationen konnten die Forscher die gemessenen Absorptions­spektren reproduzieren. Wurde nun die Aluminium­oxid­schicht immer dünner gemacht und schließlich durch die 0,7 Nanometer dicke mono­atomare Bornitrid­schicht ersetzt, so blieben die Resonanzen deutlich sichtbar. Es traten also weiterhin Plasmonen auf.

Die Simulationen zeigten, dass eine zehn Nanometer dicke Aluminium­oxid­schicht die Plasmonen problemlos einschließen konnte. Das elektrische Feld der Plasmonen war im Di­elektrikum zwischen Graphen und Gold lokalisiert und drang praktisch nicht in das Metall ein. Das änderte sich, als die 0,7 Nano­meter dicke Bornitrid­schicht als Di­elektrikum verwendet wurde. Jetzt traten in der Gold­schicht merkliche elektronische Abschirm­ladungen auf, wodurch sich die Ausbreitungs­geschwindigkeit der Plasmonen verringerte.

Die abschirmenden Elektronen konnten wegen ihrer gegen­seitigen Abstoßung und wegen des Pauli-Verbots allerdings nicht gänzlich verhindern, dass das elektrische Feld in das Metall eindrang. Nun hätte man erwarten können, dass das elektro­magnetische Feld der Plasmonen im Metall Elektron-Loch-Paare anregt und dadurch eine Landau-Dämpfung erfährt, die die Plasmonen schnell abschwächt. Überraschender­weise blieb diese Dämpfung aber sehr schwach, sodass sich auch die extrem komprimierten Plasmonen effizient ausbreiten konnten.

Heterostrukturen aus zweidimensionalen Materialien können somit Licht­wellen durch Umwandlung in Plasmonen nicht nur in Ausbreitungs­richtung erheblich komprimieren, sondern auch senkrecht dazu. Dadurch lässt sich das Moden­volumen optischer Signale auf bis zu ein Milliardstel verkleinern, wie die Forscher berechnet haben. Mit ihrer Präzision im Sub­nano­meter­bereich sind solche Hetero­strukturen aussichts­reiche neue Bau­elemente für die Opto­elektronik.

Rainer Scharf

DE