Zweidimensionale Plasmonen
Mit einer Heterostruktur lassen sich Lichtwellen in eine monoatomare Schicht quetschen.
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.
Abb.: Die van-der-Waals-Heterostruktur (A) schließt das elektrische Feld von Plasmonen in einer zehn Nanometer dicken dielektrischen Schicht (B) ein. Für eine 0,7 Nanometer dicke monoatomare Bornitridschicht als Dielektrikum (C) ist der Einschluss nicht mehr perfekt, doch die Plasmonen können sich weiterhin problemlos bewegen. (Bild: D. A. Iranzo et al.)
Ganz neue Möglichkeiten für die Optoelektronik und die Plasmonik eröffnen Van-
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-
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-
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
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