AT504162B1 - ORGANIC PLASMON DIODE FOR THE DETECTION OF LIGHT AND LIGHT DISTRIBUTION DISTRIBUTION - Google Patents
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österreichischesPatentamt (10) AT 504 162 B1 2008-09-15 (12) Patentsch rift (21) Anmeldenummer: A 1423/2006 (51) Int. CI.8: G01N 21117(2006.01) (22) Anmeldetag: 2006-08-25 (43) Veröffentlicht am: 2008-09-15 AT504 162 B1 2008-09-15 3Austrian Patent Office (10) AT 504 162 B1 2008-09-15 (12) Patent specification (21) Application number: A 1423/2006 (51) Int. CI.8: G01N 21117 (2006.01) (22) Date of filing: 2006-08-25 (43) Published: 2008-09-15 AT504 162 B1 2008-09-15 3
(54) ORGANISCHE PLASMONENDIODE ZUR DETEKTION VON LICHT UND LICHTFELDVERTEILUNGEN (57) Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Licht- und Lichtfeldverteilungen, welche aufweist.' (a) ein Mittel (2) zur Generierung von Oberflächenplasmonen (7) mittels Licht (6), (b) einen Plasmonenleiter(l), (c) eine mit dem Plasmonenleiter (1) in inniger Verbindung stehende Plasmonendiode (4) zur Umwandlung der Oberflächenplasmonen (7) in ein lektrisches Signal, und (d) ein mit der Plasmonendiode (4) in inniger Verbindung stehendes Mittel (3) zur Aufnahme der elektrischen Energie.(54) ORGANIC PLASMON DIODE FOR DETECTING LIGHT AND LIGHT FIELD DISTRIBUTION (57) The invention relates to a device for detecting light and light field distributions, which has. (a) means (2) for generating surface plasmons (7) by means of light (6), (b) a plasmon conductor (1), (c) a plasmon diode (4) intimately associated with the plasmon conductor (1) for conversion the surface plasmons (7) into a lektrisches signal, and (d) with the plasmon diode (4) in intimate connection means (3) for receiving the electrical energy.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann als Plas-monendetektor verwendet werden. DVR 0078018 (56)The device according to the invention can be used as a plasma sensor. DVR 0078018 (56)
Entgegenhaltungen: US 2003/0206708A1 (73)References: US 2003 / 0206708A1 (73)
Patentanmelder: JOANNEUM RESEARCH FORSCHUNGSGESELLSCHAFT M.B.H. A-8010 GRAZ (AT) 2 AT 504 162 B1Applicant: JOANNEUM RESEARCH RESEARCH SOCIETY M.B.H. A-8010 GRAZ (AT) 2 AT 504 162 B1
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Licht und Lichtfeldverteilungen. Die Erfindung nutzt die Anregung und Ausbreitung von Oberflächenplasmonen. Die Detektion der Oberflächenplasmonen wird mit einer völlig neuartigen monolithisch integrierbaren organischen Diode vorgenommen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im folgenden als Plasmonendiode bezeichnet.The present invention relates to a device for detecting light and light field distributions. The invention uses the excitation and propagation of surface plasmons. The detection of the surface plasmons is carried out with a completely novel monolithically integrable organic diode. The device according to the invention is referred to below as plasmon diode.
In der Festkörperphysik werden unter „Plasmonen“ kollektive Anregungen von freien Elektronen in Metallen zu Plasmaschwingungen gegen die Atomrümpfe bezeichnet. Es handelt sich dabei also um Dichteschwankungen von Ladungsträgern.In solid state physics, "plasmons" are collective excitations of free electrons in metals to plasma oscillations against the atomic hulls. These are thus density fluctuations of charge carriers.
Oberflächenplasmonen (OP) sind Oberflächenwellen, bei denen die longitudinalen elektronischen Schwingungen parallel zur Oberfläche eines Metalls angeregt werden. Die freien Elektronen können z.B. durch lichtelektrische Felder angeregt werden. Die Stärke der elektromagnetischen Felder dieser OP ist an der Oberfläche am größten und fällt in die beiden Richtungen normal zur Oberfläche exponentiell ab.Surface plasmons (OP) are surface waves in which the longitudinal electronic vibrations are excited parallel to the surface of a metal. The free electrons may e.g. be excited by photoelectric fields. The strength of the electromagnetic fields of this OP is greatest at the surface and decreases exponentially in the two directions normal to the surface.
Ein direktes Bestrahlen von glatten Metalloberflächen mit Licht kann allerdings keine OP erzeugen. Dazu ist vielmehr eine Einkoppelstruktur auf der glatten Metalloberfläche erforderlich. Als Einkoppelstruktur eignet sich ganz allgemein jegliche Struktur, die in der Lage ist, die Homogenität der Metalloberfläche zu stören, also z.B. die Kante einer schlitzförmigen Öffnung in der Metalloberfläche, eine Aufrauhung der Oberfläche oder ein Ensenble von Nanopartikeln oder Nanodrähten an der Metalloberfläche.Direct exposure of smooth metal surfaces to light, however, can not produce OP. Instead, a coupling structure on the smooth metal surface is required. In general, any structure which is capable of disturbing the homogeneity of the metal surface, that is, e.g. the edge of a slit-shaped opening in the metal surface, a roughening of the surface or an Ensenble of nanoparticles or nanowires on the metal surface.
Im Stand der Technik sind folgende plasmonische Bauelemente bereits bekannt:The following plasmonic components are already known in the prior art:
Spezielle Einkoppelstrukturen zur Anregung von OP mittels Licht; nanoskopische OP-Wellenleiter, um optische Signale zwischen aktiven und passiven Bauelementen weiterzuleiten;Special coupling structures for excitation of OP by means of light; nanoscopic op waveguides to pass optical signals between active and passive devices;
Spiegel und Reflektoren;Mirrors and reflectors;
Linsen;Lenses;
Strahlteiler, und Interferometer.Beam splitter, and interferometer.
Aus der DE 699 18 488 T2 beispielsweise ist ein Oberflächenplasmonen-Sensor vom Otto-Typ bekannt. Dieser Sensor dient zur quantitativen Analyse eines Materials in einer Probe unter Ausnutzung von Oberflächenplasmonen. Bei einem derartigen Plasmonensensor werden, wenn eine Probe auf der Probeaufnahmeseite des Metallfilms ausreichender Dicke fixiert und ein Lichtstrahl dazu gebracht wird, auf die eine Seite eines dielektrischen Blocks gegenüber der Probeaufnahmeseite des Metallfilms unter einem speziellen Einfallswinkel aufzutreffen, verschwindend kleine Wellen mit einer elektrischen Feldverteilung in der Probe und dem Metallfilm erzeugt, und in dem Metallfilm werden Oberflächenplasmonen angeregt. Dies gestattet eine quantitative Analyse des Materials.From DE 699 18 488 T2, for example, a surface plasmon sensor of the Otto type is known. This sensor is used for the quantitative analysis of a material in a sample using surface plasmons. In such a plasmon sensor, when a sample is fixed on the sample receiving side of the metal film of sufficient thickness and a light beam is caused to impinge on the one side of a dielectric block opposite to the sample receiving side of the metal film at a specific angle of incidence, vanishing small waves with an electric field distribution of the sample and the metal film, and surface plasmon are excited in the metal film. This allows a quantitative analysis of the material.
Aus der DE 101 51 312 A1 ist ein Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor bekannt, welcher eine Basiseinheit mit einer Lichtquelle und eine optische Sensoreinheit zur Anregung von Oberflächenplasmonen umfasst, die eine durch einen dünnen Metallfilm gebildete Messfläche aufweist, welche mit einer zu messenden Probe in Kontakt gebracht werden kann.From DE 101 51 312 A1 a surface plasmon resonance sensor is known, which comprises a base unit with a light source and an optical sensor unit for exciting surface plasmons, which has a measuring surface formed by a thin metal film which contacts a sample to be measured can be brought.
Zur Ausschöpfung des vollen Potentials der technischen Möglichkeiten, die die Plasmonik bieten kann, werden aber noch weitere plasmonische Bauteile benötigt, vor allem aber Bauteile mit welchen die mit Licht oder einer anderen Anregungsquelle generierten OP nachgewiesen bzw. gemessen und detektiert werden können.To exploit the full potential of the technical possibilities which plasmonics can offer, however, further plasmonic components are needed, but above all components with which the OP generated with light or another excitation source can be detected or measured and detected.
Hier setzt nun die vorliegende Erfindung an, deren Ziel es ist, eine Vorrichtung zur Detektion von Licht und Lichtfeldverteilungen, auf der Basis der Erzeugung und Detektion von OP, zur 3 AT 504 162 B1Here is where the present invention, whose object is an apparatus for the detection of light and light field distributions, on the basis of the generation and detection of OP, to 3 AT 504 162 B1
Verfügung zu stellen.To make available.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion von Licht und Lichtfeldverteilungen, weist auf: (a) ein Mittel zur Generierung von Oberflächenplasmonen mittels Licht, (b) einen Plasmonenleiter, (c) eine mit dem Plasmonenleiter in inniger Verbindung stehende Plasmonendiode zur Umwandlung der Oberflächenplasmonen in elektrische Energie, und (d) ein mit der Plasmonendiode in inniger Verbindung stehendes Mittel zur Aufnahme der elektrischen Energie.The device according to the invention for detecting light and light field distributions comprises: (a) means for generating surface plasmons by means of light, (b) a plasmon conductor, (c) a plasmon diode intimately connected to the plasmon conductor for converting the surface plasmons into electrical energy and (d) a means for receiving electrical energy intimately associated with the plasmon diode.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass OP in ein elektrisches Signal umgewandelt werden können, wenn sie in eine Plasmonendiode eingeleitet werden.The invention is based on the recognition that OPs can be converted into an electrical signal when they are introduced into a plasmon diode.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmonendiode aus mindestens einer dünnen Schicht besteht, deren physikalische Eigenschaften durch die Einwirkung von Plasmonen verändert wird, wobei die Änderung der physikalischen Eigenschaften über zwei unmittelbar an diese dünne Schicht angebrachten Elektroden abgegriffen wird und die dünne Schicht aus einem organischen Material, aus organischen Molekülen, aus einem Polymermaterial, aus einem anorganischen Material oder aus einem organisch-anorganischen Hybridmaterial besteht.A preferred embodiment is characterized in that the plasmon diode consists of at least one thin layer, the physical properties of which are changed by the action of plasmons, wherein the change of the physical properties is tapped via two electrodes attached directly to this thin layer and the thin layer an organic material, organic molecules, a polymer material, an inorganic material or an organic-inorganic hybrid material.
Die Plasmonendiode kann ferner aus einer Abfolge von dünnen Schichten bestehen, wobei die dünnen Schichten aus organischen Materialien, aus Polymermaterialien, aus organischen Molekülen, aus anorganischen Materialien, aus mindestens einer organischen Schicht und weiteren Polymerschichten, aus mindestens einer Polymerschicht und weiteren organischen Schichten, aus mindestens einer organischen Schicht und weiteren anorganischen Schichten, aus mindestens einer Polymerschicht und weiteren anorganischen Schichten, aus mindestens einer anorganischen Schicht und weiteren organischen Schichten, aus mindestens einer anorganischen Schicht und weiteren Polymerschichten, aus mindestens einer organischanorganischen Hybridmaterialschicht und weiteren organischen Schichten, aus mindestens einer organisch-anorganischen Hybridmaterialschicht und weiteren Polymerschichten, oder aus mindestens einer organisch-anorganischen Hybridmaterialschicht und weiteren anorganischen Schichten bestehen.The plasmon diode may further consist of a series of thin layers, the thin layers of organic materials, of polymeric materials, of organic molecules, of inorganic materials, of at least one organic layer and further polymer layers, of at least one polymer layer and other organic layers at least one organic layer and further inorganic layers, of at least one polymer layer and further inorganic layers, of at least one inorganic layer and further organic layers, of at least one inorganic layer and further polymer layers, of at least one organic-inorganic hybrid material layer and further organic layers, of at least one organic-inorganic hybrid material layer and other polymer layers, or consist of at least one organic-inorganic hybrid material layer and other inorganic layers.
Die dünnen Schichten sind auf der Plasmonendiode bevorzugt strukturiert.The thin layers are preferably structured on the plasmon diode.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung liegt bevorzugt auf einem starren oder flexiblen Substrat.The device according to the invention is preferably on a rigid or flexible substrate.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion von Oberflächenplasmonen.The invention further relates to the use of the device according to the invention for the detection of surface plasmons.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Plasmonendiode wird an Hand der beigefügten Figur näher beschrieben. 1.- HerstellungA preferred embodiment of the plasmon diode according to the invention will be described in more detail with reference to the accompanying figure. 1.- production
Die Figur 1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Plasmonendiode. Die Bezugsziffer 1 bezeichnet einen Metallfilm. Er kann z.B. aus Silber bestehen und eine Dicke von etwa 100 nm aufweisen. Dieser Metallfilm stellt gleichzeitig die Grundelektrode der Diode dar. Anstatt eines Metalles kann auch ein Halbleiter oder jedes andere, plasmonenfüh-rende Material vorgesehen sein.FIG. 1 shows schematically a cross section through a plasmon diode according to the invention. Reference numeral 1 denotes a metal film. He can e.g. consist of silver and have a thickness of about 100 nm. This metal film also represents the base electrode of the diode. Instead of a metal, it is also possible to provide a semiconductor or any other plasma-conducting material.
Die Einkoppelstruktur für das Licht ist als Schlitz 2 im Metallfilm 1 bezeichnet. Als Einkoppelstruktur kann aber auch jede lokale Störung der Homogenität des Metallfilms, wie z.B: eine 4 AT 504 162 B1The coupling-in structure for the light is designated slot 2 in the metal film 1. As a coupling structure, however, any local disturbance of the homogeneity of the metal film, such as: a 4 AT 504 162 B1
Kante, ein Ensemble von Nanopartikeln, Nanodrähte usw. fungieren.Kante, an ensemble of nanoparticles, nanowires, etc. act.
Mit der Bezugsziffer 3 ist ebenfalls ein Metallfilm dargestellt. Dieser Metallfilm 3 wirkt als Deckelektrode der Diode und kann z.B. ebenso aus einer Silberschicht mit einer Dicke von etwa 100 nm bestehen.The reference numeral 3 also shows a metal film. This metal film 3 acts as a top electrode of the diode and may be e.g. also consist of a silver layer with a thickness of about 100 nm.
Die Bezugsziffer 4 bezeichnet eine Schichtabfolge welche aus einer oder mehreren organischen Dünnfilmen besteht. Diese Schichtabfolge dient als aktive Schicht der Plasmonendiode (Schottkydiode, pn-Diode).Reference numeral 4 denotes a layer sequence consisting of one or more organic thin films. This layer sequence serves as the active layer of the plasmon diode (Schottky diode, pn diode).
Mit der Bezugsziffer 5 ist ein Substrat bezeichnet, welches den Metallfilm 1 trägt. Dieses Substrat kann z.B. aus Glas sein. Anstelle des Glassubstrates kann jedes Trägermaterial mit entsprechend aufgebrachten Grundierungsschichten zum Einsatz kommen. Die Pfeile 6 und 7 bezeichnen einfallendes Licht bzw. sich ausbreitende OP.The reference numeral 5 designates a substrate which carries the metal film 1. This substrate may e.g. be made of glass. Instead of the glass substrate, any carrier material with appropriately applied primer layers can be used. Arrows 6 and 7 denote incident light and propagating OP, respectively.
Die in der Fig. 1 dargestellte Plasmonendiode kann wie folgt hergestellt werden:The plasmon diode shown in FIG. 1 can be manufactured as follows:
Die Plasmonendiode wird in Sandwichstruktur gefertigt. Eine oder mehrere organische Dünnfilme werden dabei von zwei elektrisch leitfähigen Elektroden kontaktiert. Ausgangspunkt für die Fabrikation der Diode ist zum Beispiel ein Glassubstrat. Zur Strukturierung der einzelnen Komponenten der Plasmonendiode können diverse Strukturierungsverfahren, wie zum Beispiel Photolithographie, Elektronenstrahllithographie, FIB (focused ion beam), Lift-Off Technik usw. eingesetzt werden. Die Aufbringung der organischen sowie metallischen Dünnschichten erfolgt z.B. durch Vakuumsublimation in entsprechenden Verdampferanlagen oder durch Spinncoaten oder Inkjetprinten von Polymermaterialien. 2.- Funktion der erfindungsgemäßen PlasmonendiodeThe plasmon diode is manufactured in sandwich structure. One or more organic thin films are contacted by two electrically conductive electrodes. The starting point for the fabrication of the diode is, for example, a glass substrate. For structuring the individual components of the plasmon diode various structuring methods, such as photolithography, electron beam lithography, FIB (focused ion beam), lift-off technique, etc. can be used. The application of the organic and metallic thin layers takes place e.g. by vacuum sublimation in appropriate evaporator plants or by spinncoats or inkjet printen of polymer materials. 2.- Function of the plasmon diode according to the invention
Die Funktion der erfindungsgemäßen Plasmonendiode ist nun folgende:The function of the plasmon diode according to the invention is now the following:
Wird eine Kante des Schlitzes 2 mit Licht 6 bestrahlt, so werden auf dem Metallfilm 1 Oberflächenplasmonen 7 erzeugt, die sich in Pfeilrichtung auf der Oberfläche des Metallfilms 1 ausbreiten und in die Grenzfläche zwischen Metallfilm 1 und Halbleiter 4 hineinlaufen.When an edge of the slit 2 is irradiated with light 6, surface plasmons 7 are generated on the metal film 1, which propagate in the arrow direction on the surface of the metal film 1 and run into the interface between the metal film 1 and the semiconductor 4.
Dort generieren sie mit dem elektromagnetischen Plasmonenfeld in der organischen Halbleiterschicht 4 elektrische Ladungen, die an der Grundelektrode 1 und an der Deckelektrode 3 abgegriffen werden kann. Dies ist schematisch mit dem Strommessgerät A bezeichnet.There, they generate electric charges with the electromagnetic plasmon field in the organic semiconductor layer 4, which can be tapped off at the base electrode 1 and at the cover electrode 3. This is schematically indicated by the ammeter A.
Der an der Plasmonendiode abgegriffene elektrische Strom ist direkt proportional zur lokalen Lichtfeldintensität an der Einkoppelstruktur, die gegenständlich durch einen Schlitz realisiert wurde.The electrical current tapped at the plasmon diode is directly proportional to the local light field intensity at the coupling-in structure, which was realized by a slot.
Als experimentellen Beweis für die Umwandlung von Oberflächenplasmonen in Strom mittels einer Plasmonendiode wurden örtlich aufgelöste Messungen des Plasmonenstroms (2D-Plasmonenstrom-Scan) durchgeführt.As experimental evidence for the conversion of surface plasmons into electricity by means of a plasmon diode, spatially resolved measurements of the plasmon current (2D plasmone current scan) were performed.
Zu diesem Zweck wird gemäß Fig. 2 ein HeNe-Laserstrahl (Wellenlänge 633 nm) mit einem Mikroskopobjektiv (100x, Numerische Apertur 0.75) auf die Substratebene fokussiert, was einen Laserfokus mit einem Durchmesser von ca 1.5 pm liefert. Die Plasmonendiode wird piezoelektrisch relativ zum Fokusspot in x- and y-Richtung bewegt und der plasmonengenerierte Strom wird simultan mit den Ortskoordinaten aufgezeichnet und dargestellt.For this purpose, according to FIG. 2, a HeNe laser beam (wavelength 633 nm) is focused onto the substrate plane with a microscope objective (100 ×, numerical aperture 0.75), which produces a laser focus with a diameter of approximately 1.5 μm. The plasmon diode is piezoelectrically moved relative to the focus spot in the x and y directions and the plasma generated current is recorded and displayed simultaneously with the location coordinates.
Fig. 3 zeigt im Bild (a) eine lichtmikroskopische Aufnahme und im Bild (b) den 2D-Plasmonenstrom-Scan der Plasmonendiode. Die Plasmonen-Einkoppelstrukturen bestehen aus 3 Schlitzen (A) und alternativ aus einem Schlitz (B) im Silberfilm. Im Bereich der Plasmo-Fig. 3 shows in the image (a) a light micrograph and in the image (b) the 2D plasmone current scan of the plasmon diode. The plasmon coupling structures consist of 3 slots (A) and alternatively a slot (B) in the silver film. In the field of plasma
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