Výroba a charakterizace plazmonických antén na zvolené tenké vrstvě s cílem získat zesílenou absorbci díky přítomnosti silné vazby

Abstract

Systémy se silnou vazbou nabízí mnoho významných aplikací v různých oblastech, například fotonice, chemii, nelineární optice a dalších. Tato bakalářká práce je zaměřena na výrobu kovových plazmonických struktur vhodných pro vznik silné vazby mezi lokalizovanými povrchovými plazmony antén a fonony tenké vrstvy hexagonálního nitridu boru (hBN) v infračervené oblasti. V případě navození silné vazby by mělo dojít ke zvýšení absorpce, díky které lze tento systém použít na výrobu detektoru infračerveného záření, tzv. mikrobolometru. Práce shrnuje důležité poznatky z teorie elektromagnetického pole, popisuje vznik silné vazby z pohledu klasické fyziky a uvádí příklady systémů se silnou vazbou. Dále je teoreticky popsán vznik povrchových plazmonových polaritonů a lokalizovaných povrchových plazmonů (LPP). V práci jsou popsány plazmonické antény, jejich výroba, aplikace a fyzikální vlastnosti hBN. V rámci praktické části byla realizována výroba plazmonických antén pod nebo na tenké vrstvě hBN. Vyrobené vzorky byly charakterizovány rastrovacím elektronovým mikroskopem a spektrální odezva byla změřena infračervenou spektroskopií s Fourierovou transformací. Ve spektrech byla potvrzena absorpce hBN na 7,3 m a naměřena další minima propustnosti odpovídající přítomnosti antén. Přítomnost silné vazby mezi LPP antén a fonony nativní vrstvy SiO2 byla pravděpodobně pozorována. Zdali došlo k silné vazbě mezi LPP antén a fonony hBN nelze ze získaných výsledků usuzovat.

Strong coupling systems offer many important applications in various fields such as photonics, chemistry, nonlinear optics and others. This Bachelor's thesis focuses on the fabrication of metal plasmonic structures suitable for the formation of strong coupling between localized surface plasmon antennas and hexagonal boron nitride (hBN) thin film phonons in the infrared region. In the case of inducing a strong coupling, an increase in absorption should occur, which makes it possible to use this system to fabricate an infrared detector, the so-called microbolometer. The thesis summarizes important findings from electromagnetic field theory, describes the formation of strong coupling from the perspective of classical physics and gives examples of systems with strong coupling. Furthermore, the formation of surface plasmon polaritons and localized surface plasmons (LSPs) is theoretically described. Plasmonic antennas, their fabrication, applications and physical properties of hBN are described. In the practical part of the thesis, fabrication of plasmonic antennas under or on hBN thin film has been realized. The fabricated samples were characterized by scanning electron microscopy and the spectral response was measured by Fourier transform infrared spectroscopy. In the spectra, the absorption of hBN at 7.3 m was confirmed and additional transmittance minima corresponding to the presence of antennas were detected. The presence of a strong coupling between the LSPs antennas and the phonons of the native SiO2 layer was probably observed. Whether there was a strong coupling between the LSPs antennas and the hBN phonons cannot be inferred from the the obtained results.