Elektrochemische Modulation von Photonischem Metamaterial

Ansprechpartner: Jörg Weißmüller

Nanowerkstoffe besitzen eine großen spezifischen Oberfläche (Flächeninhalt pro Volumen). Zudem besteht die Möglichkeit, die Oberflächeneigenschaften durch die kontrollierte Manipulation von Raumladungszonen zu steuern. In Kombination lassen sich diese beiden Befunde dazu ausnützen, neuartige Funktions- materialien mit elektrisch steuerbaren makroskopischen Eigenschaften zu entwerfen. Photonische Metamaterialien zeichnen sich durch anomale optische Konstanten aus - im Extremfall negative Brechungsindizes. Dies wird erreicht durch Anordnungen von nanoskaligen Resonatoren mit Spalt, wie sie mit lithographischen Methoden hergestellt werden können. Die Benetzung der Resonatoroberflächen mit einem Elektrolyten ermöglicht es, Raumladung zu erzeugen und sie durch ein externes elektrisches Potential zu steuern. Da die Raumladung mit dem elektrischen Widerstand gekoppelt ist, können Resonanzfrequenz und Dämpfung reversibel kontrolliert werden. Unsere Untersuchungen bestätigen dieses Konzept und liefern damit ein Beispiel für das Design von funktionalen Nanowerkstoffen, die durch elektrochemische Vorgänge an Oberflächen gesteuert werden können.

Die Arbeiten an diesem Projekt wurden in enger Kooperation mit dem Institut für Angewandte Physik am Karlsruhe Institut für Technologie (KIT) durchgeführt und vom Centre for Functional Nanostructures (CFN) des KIT gefördert.


Ausgewählte Veröffentlichungen


J. Weissmüller, R. N. Viswanath, D. Kramer, R. Würschum and H. Gleiter
Charge-Induced Reversible Strain in a Metal
Science 300 (2003) 312

S. Linden, C. Enkirch, M. Wegener, J. Zhou, T. Koschny and C. M. Soukoulis
Magnetic response in metamaterials at 100 THz
Science 306 (2004) 1351

L.-H. Shao, M. Ruther, S. Linden, S. Essig, K. Busch, J. Weissmüller and M. Wegener
Electrochemical Training and Modulation of Gold Nanostructure Optical Resonances
Adv. Mater. 22 (2010) 5173

M. Ruther, L.-H. Shao, S. Linden, J. Weissmüller, M. Wegener
Electrochemical Restructuring of Plasmonic Metamaterials
Appl. Phys. Lett. 98 (2011) 013112

Die elektronenmikroskopische Abbildung zeigt lithographisch aufgebrachte Spalt-Ringresonatoren aus Gold, ein photonisches Metamaterial. Die Grafen stellen Voltammogramme dar, die die Strom-Spannungs-Charakteristik bei zyklisch variierendem Elektrodenpotential in einer wässrigen NaF-Lösung verdeutlichen.

Die elektronenmikroskopische Abbildung zeigt lithographisch aufgebrachte Spalt-Ringresonatoren aus Gold, ein photoni- sches Metamaterial. Die Grafen stellen Voltammogramme dar, die die Strom-Spannungs-Charakteristik bei zyklisch variierendem Elektrodenpotential in einer wässrigen NaF-Lösung verdeutlichen.

Kontur-Plot der Extinktion als Funktion von Frequenz (waagerecht) und Zeit (senkrecht) eines photonischen Metamaterials, welches in 0.7M wässriger NaF Lösung Potentialzyklen unterworfen wurde (Elektrodenspannung links). Resonanzfrequenz und Dämpfung weisen deutliche und reversible Änderungen auf.

Kontur-Plot der Extinktion als Funktion von Frequenz (waagerecht) und Zeit (senkrecht) eines photonischen Meta- materials, welches in 0.7M wässriger NaF Lösung Potentialzyklen unterworfen wurde (Elektrodenspannung links). Reso- nanzfrequenz und Dämpfung weisen deutliche und reversible Änderungen auf.