Optische anregung von nichtstrahlenden oberflächenplasmonen an rauhen silberschichten

Volume 1, number 1

OPTICS COMMUNICATION

OPTISCHE ANREGUNG OBERFLACHENPLASMONEN

April 1969

VON NICHTSTRAHLENDEN AN RAUHEN SILBERSCHICHTEN E. SCHRiiDER

Institut

ftir Angewandte

Physik der Universitiit

Hamburg,

Germany

Eingegangen am 24. Februar 1969

A great surface roughness on silver films leads to an excitation of “non radiative plasmons”. This brings a measurable decrease in the intensity of the reflexion and transmission curves. The scattered light grows up in the wavelength range, where the deviations in the reflexion and transmission are observed. This could be explained by roughness induced radiation of these plasmons.

1. EINLEITUNG Durch eine OberflBchenrauhigkeit kann an Metallschichten eine Kopplung von elektromagnetischer Strahlung mit den Oberflachenplasmonen der nichtstrahlenden Mode (fur deren Wellenzahlvektoren stets gilt k > k, = w/c) ermbglicht werden [l]. Die Grenzwellenlmge X, (maximale Energie) diesOer Plasmonen liegt beim Silber bei etwa 3370 A. Es ist dies die Wellenl%nge, bei der El(Ag) = - E1 (Aussenraum) = - 1 gilt. Die Rauhigkeit bewirkt hierbei iiber eine j%nderung des k-Vektors des einfallenden Lichtes eine Anregung der nichtstrahlenden Mode. Diese Anregung wirkt sich in einem Intensitgtsverlust, z. B. in den Reflexionsspektren, aus [2-5]*. Umgekehrt ktjnnen angeregte Plasmaschwingungen Uber diese k-Vektor-Anderungen elektromagnetische Strahlung aussenden. Diese wurde ebenfalls experimentell nachgewiesen [6]. Im folgenden sol1 Uber Untersuchungen an Silberschichten mit einer grossen (statistischen) OberflPchenrauhigkeit berichtet werden.

2. REFLEXIONSMESSUNGEN Es werOden Silberschichten im Hochvakuum von 1500 A Dicke auf dtinne Quarzplzttchen gedampft (Rezipientendruck = 5 X 10s6 Torr, Aufdampfgeschwindigkeit = 10 i/set). Bei dieser Schichtdicke werden die Reflexionseigenschaften nur von der Ag-Vakuum-GrenzflPche bestimmt. * In [2] sind die ersten Anzeichen

einer IntensitEitsverminderung in den Reflexionsspektren bei X = 3400 - 3500 A.

Die Rauhigkeitsdimensionen dieser Grenzflxche werden mit der Platin-Beschattungsmethode ermittelt. Bei den beschriebenen Aufdampfbedingungen haben Ag-Schichtez dieser Dicke Fauhigkeiten von etwa 80 - 120 A Htihe und 700 A Flgchenausdehnung [ 71. Neben diesen “normalen” Schichten werden extrem rauhe Schichten hergestellt, indem bei erhbhter Unterlagentemperatur (+ 22O’C) eine Ag-Inselstruktur vorgedampft und dann nach Abktihlung auf ZimOmertemperatur bis zur Gesamtdicke von 1500 A weitergedampft wird. Bei diesen Schichten lassen sich ROauhigkeiten von 300 - 400 A HiShe bei 1000 A Flxchenausdehnung erreichen. In Fig. 1 ist das Reflexionsspektrum einer und einer extrem rausolchen normalen ( ----) hen Schicht (-----) zu sehen. Die extrem rauhe Schicht zeigtOeine stark verminderte Intensitxt fur X $3400 A, wobei die Abweichung bei etwa 3600 A maximal wird. Urn den spektralen Verlauf der Abweichung besser zu zeigen, wird jetzt das VerhPltnis der Reflexion der extrem rauben Schicht (R) zu der der normalen Schicht (R,) aufgetragen. Fig. 2 zeigt R/R, fur verschiedene Einfallswinkel B, fur s-polarisiertes Licht. Man sieht, dass bei senkrechtem Einfall der Effekt (Minimum& d.h. maximale Abweichung in R, bei h = 3640 A) am gr&sten ist, wxhrend bei streifendem Einfall (0, = 80’) zwar eine Abweichung, aber ohne das charakteristische Minimum vorhanden ist. Ausserdem zeigt die Lage der maximalen Abweichung bei der hier erreichten Messgenauigkeit keine Winkelabhmgigkeit. Die Ergebnisse bei 13

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Fig. 1. Reflexionsspektrum einer normalen () und einer extrem rauhen (-----) Silberschicht. d = 1500 A, Q. = 5’: s-polarisiertes Licht.

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Fig. 3. Spektraler Verlauf von R/R, (Verhaltnis der Reflexion einer extrem rauhen zu der elner normalen Ag-Schicht) fUr drei Schichtpaare: ohne zusatzliche Bedampfung (-a-), mit einer 1 !.l dicken CaF2-Bedeckung (--+--), mit einer 50 A dicken Kohle-Bedam-

pfung (...... l . .).

und mit der CaF2-Bedampfung (--+--). Man erkennt deutlich die Verschiebung der maximalen Abweichung zu 1Xngeren WellenlXngen. DieOAuswertung ergibt eine Verschiebung von 220 A; die Ubereinstimmung mit der Lheoretisch geforderten Verschiebung von 210 A ist erstaunlich gut. Weiterhin ist in Fig. 3 der R/R,-Verlauf zweier Ag-Schichten (normal und extrem rauh) zu sehen, die beide mit einer sehr d&men Kohleschicht (50 A) bedampft wurden (...o-.-.). Man sieht an dem fehlenden Minimum und der insgesamt geringeren Abweichung von R/R, = 1, dass der hohe e2-Wert von Kohle (~2 = 4) die Oberflachenplasmonen stark dXmpft. 3. TRANSMISSIONSMESSUNGEN

3600 h[ti 3600

Fig. 2. Spektraler Verlauf von R/R, (Verhlltnis der Reflexion einer extrem rauhen zu der einer normalen Ag-Schicht) bei verschiedenen Einfallswinkeln Bo. d = 1500 A, s-polarisiertes Licht. p-polarisiertem Licht sind in diesen wesentlithen Punkten dieselben. Urn die Deutung mit der Anregung von Oberflachenplasmonen zu stutzen, wird auf eine normale und eine extrem rauhe Schicht CaF2 (1 IJ dick) gedampft. hs solite sich jetzt theoretisch von 3370 A nach 3580 A verschieben. (eI(Ag) = -el(CaF2) = - 2.07 [8]). Fig. 3 zeigt das Verhaltnis R/R, dieser beiden Schichten ohne (-o-) 14

3600

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Es sol1 tmtersucht werden, ob bei sehr rauhen Schichten die Transmissionsmessungen Bhnlithe Abweichungen zeigen. HierfUr wurden dttnnere Schichten hergestellt. In Fig. 4 sind die Spektren zweier 550 i -Schichten zu sehen (ppolarisiertes Licht; B. = 45’), und zwar einer recht glatten Schisht mit einer mittleren Rauhigund einer extrem keitshshe von 50 A ( -) rauhen Schicht mit 300 A Rauhigkeitshtjhe (-----); die mittlere Flach~nausdehnung der Rauhigkeiten betragt 400 - 700 A. In dem Spektrum der extrem rauhen Schicht treten die entscheidenden AbweichungeG wie bei den Reflexionsmessungen fur x ;2 3300 A auf. Es wurde die Grosse Tp(45’) gewahlt, da hier

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Fig. 4. Transmissionspektren einer normalen () und einer extrem rauhen Silberschicht (-----). d= 550 & e. = 450, p-polarisiertes Licht. bei X = 3280 A bei diinnen Silberschichten ein scharfes Minimum auftritt, was der Plasmaresonanzabsorption der strahlenden Mode zugeordnet wird [9]; dieses Minimum ist bei der rauhen Schicht nicht mehr vorhanden.

4. STREULICHTMESSUNGEN Zur Untersuchung der Strahlung der Oberflzchenplasmonen wird das Streulicht auf der Reflexionsseite ausserhalb des direkt reflektierten Lichtstrahls gemessen (Einfallswinkel @ = 30°, Winkel B. = 300, Beobachtungswinkel zwischen Einstrahl- und Beobachtungsebene @= 90°; es wird p-polarisiert eingestrahlt und beobachtet; zur Apparaturbeschreibung siehe [lo]). Fig. 5 zeigt die Streulichtspektren von drei Ag-Schichten mit verschiedener Rauhigkeit. Die normale Schicht mit der geringsten Rauhigkeit ) hat Rauhigkeitshiigel von 100 A HBhe. (Das Streulichtspektrum zeigt bei 3260 A das bekannte Plasmastrahlungsmaximum der strahlen 3400 A praktisch keine Streustrahlung. Bei der nxchsten Schicht (-----) steigt die Rauhigkeitshtlhe auf 200 A an;0 hier steigt deutlich das Streulicht fur h > 3400 A an, wzhrend das Plasmastrahlungsmaximum kleiner wird. Bei der extrgm rauhen Schicht (RauhigkeitshBhe etwa 400 A) ist das Plasmastrahlungsmaximum fast viillig ver -

Fig. 5. Streulichtsaektren (auf der Reflexionsseite aemessen) van drei Ag-Schichten mit unterschiedlicher Rauhigkeit. 8, = B = 30’. cb = 90’; p-polarisiert wird eingestrahlt &d such beobachtet. Die mittlere H6he ), 200 (-----) und der Rauhigkeit betrsgt 100 (400 d (.--- -..). schwunden c.-----...), wXhrend das Streulicht der nichtstrahlenden Mode stark angestiegen ist. Wird nicht mit p- sondern mit s-polarisiertern Licht eingestrahlt, sind die Ergebnisse die gleichen, nur fehlt dann in allen d;ei Spektren das Strahlungsmaximum bei 3260 A, Die Streustrahlung fur h 3 3400 A IZsst sich wahrscheinlich folgendermassen deuten: Die starke Rauhigkeit bewirkt durch Anderung des k-Vektors des einfallenden Lichtes eine Anregung der nichtstrahlenden Mode. Dies fUhrt dann zu den in den Kapiteln 2 und 3 gezeigten Intensitxtsverminderungen in den Reflexionsbzw. Transmissionsspektren. Diese Intensitxt wird aber nicht vollkommen von der Schicht absorbiert; ein Teil der angeregten Plasmaschwingungen zerfXllt umgekehrt wieder Uber eine k-Vektor-ilnderung zu elektromagnetischer Strahlung. So kBnnen wir in dem Wellenl%ngengebiet, in dem die R- und T-Spektren die IntensitXtsverminderung zeigen, einen Anstieg des Streulichts beobachten. Dies Streulicht wird allseitig in den ganzen Raumwinkel ausgesandt, da bei einer statistischen Rauhigkeit beliebige k-Vektor -&derungen mijglich sind. Der Verfasser ist Herrn Professor Dr. H. Raether fiir Themenstellung und stetes fiirderndes Interesse zu grossem Dank verpflichtet.

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REFERENZEN [l] E. A. Stern, Kommentar in: Optical Properties and Electronic Structure of Metals and Alloys, ed. F. Abel&s (North-Holland, Amsterdam, 1966). [2] R.H.Huebner, E.T.Arakawa, R.A.McRaeundR.N. Hamm, J. Opt. Sot. Am. 54 (1964) 1434. [3] J. L. Stanford, H. E.Bennett, J.M.Bennett, E. J. Ashley und E.T.Arakawa, Bull. Am. Phys. Sot. 13 (1968) 989. [4] Y.Y.Teng und E.A.Stern, Phys. Rev. Letters 19 (1967) 511.

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A. Hampe und G. Sauerbrey, Phys. IIs1P. Dobberstein, Letters 27A (1968) 256. [61E. Kretschmann und H. Reather, 2. Naturforschg. 23a (1968) 2135. [71 E. Schriider, Z. Physik (im Erscheinen). Z. Physik (im Erscheinen); t81 E. Kretschmann, sowie E. Schrijder (ebenda) . [91 D. Schulz und M. Zurheide, Z. Physik 211 (1968) 165. Z. Physik 211 (1968) 257. ]191 P. Schreiber,