Optical characterization of T-shaped gold nanodimers

Abstract

Metallic nanostructures have great prospects for nanophotonics applications such as optical wavelength nanoantennae or single-molecule detection. Their interesting properties arise from the ability to generate high Iocal electric fields. The highest local fields are expected to be obtained in gaps of only a few nanometers, leading to strong nonlinear optical effects. In this work the focus is in secondharmonic generation (SHG), which is assumed to depend strongly on the size of the nanogap. In addition to SHG, such structures may also exhibit significant polarization properties such as high optical activity. Several arrays of T-shaped gold nanodimers were prepared using electron beam lithography. According to measurements, counter-intuitively, the SHG yield is not strictly reIated to the size of the nanogap. Instead, the SHG depends strongly on the polarization and the fundamental Iocal electric field distributions. Asymmetry of the Iocal fields is required in order to generate a second-harmonic (SH) signal. Thus, significant SHG can be obtained even for gaps of several tens of nm. This result could relax the necessity for extremely small features, which are challenging to prepare. Chirality of the sample was studied with a circular-difference (CD) measurement. In order to fully understand the behavior of metal nanostructures, further studies are needed. Future plans include more detailed polarization measurements and investigating other shapes.

AB3:Työn alkuperäinen tarkoitus oli mitata toisen kertaluvun epälineaarisen vasteen riippuvuus raon koosta. Yksinkertaisen sähkömagneettisen tarkastelun perusteella vasteen oletettiin riippuvan voimakkaasti raon koosta. Mittaustulokset olivat kuitenkin täysin odotusten vastaiset. Tulosten perusteella taajuudenkahdennus riippuu huomattavasti enemmän valon polarisaatiosta ja paikalliskenttäjakaumasta. Viimeisissä mittauksissa tutkittiin T-dimeerien optista aktiivisuutta. Ideaalisesti T-muodolla on symmetriataso, jolloin näyte ei ole kiraalinen. Näytteiden valmistusmenetelmän epätäydellisyydestä johtuen T:n molemmat palkit ovat kuitenkin hieman vinossa. Tämä johtaa näytteen ideaalisen symmetrian rikkoutumiseen ja kiraalisuuteen. Kiraalinen aine on optisesti aktiivinen, eli se pyrkii kiertämään valon polarisaatiota. Aineen kiraalisuus vaikuttaa myös toisen kertaluvun epälineaariseen vasteeseen, ja siksi mittaukset tehtiin taajuudenkahdennuksen avulla. Mittausten perusteella näytteen kiraalinen vaste riippuu selkeästi raon koosta. Kuitenkin aivan pienissä raoissa palkin vinous ei vaikuta raon geometriaan ja näin ollen optista aktiivisuutta ei havaita. Metallisia nanorakenteita on tulevaisuudessa mahdollista hyödyntää useissa nanofotoniikan sovelluksissa. Ensin on kuitenkin ymmärrettävä nanorakenteiden toiminta ja ominaisuudet.