METAMATERIALS BASED ON METAL/SEMICONDUCTOR MICROROLLS

In dieser Arbeit werden durch Aufrollen verspannter Metall/Halbleiter Schichten neuartige, dreidimensionale Metamaterialien realisiert. Die Eigenschaften dieser künstlichen optischen Kristalle können durch efektive Parameter beschrieben werden. Diese werden durch numerische Simulationen, sowie Transmissions- und Refexionsmessungen experimentell untersucht. Radiale Metamaterialien wurden durch mehrfaches Aufrollen einer verspannten Ag/GaAs/InGaAs Multilage zu einem Mikroröllchen hergestellt. Das radiale Metamaterial wird dabei durch die Windungen der Röllchenwand defniert und besitzt eine dispersive und starkanisotrope Permittivität. Durch numerische Simulationen wurde gezeigt, dass diese Strukturen für bestimmte Wellenlängen im sichtbaren-und nahinfraroten Bereich als Hyperlinsen wirken, d.h. vergrößerte, optische Abbildungen mit Subwellenlängenaufösung ermöglichen. Zur optischen Charakterisierung der Hyperlinsen wurde ein faserbasierter Transmissions- und Refexionsmeßaufbau entwickelt. Aus den gemesse-nen Transmissions-und Refexionsdaten konnte die Arbeitswellenlänge der aufgerollten Hyperlinsen bestimmt werden. Wir konnten experimentell zeigen, dass die Wellenlänge vom Schichtdickenverhältnis der Ag/(In)GaAs Schichten abhängt und konnten sie in einem Wellenlängenbereich von 680-780 nm variieren. Zum experimentellen Nachweis der vergrößernden Subwellenlängenabbildung durch die Röllchenwand wurden außerdem erste Nahfeldmikroskopmessungen an der Universität von Burgund durchgeführt. Ein weiteres Konzept dieser Arbeit beschäftigt sich mit Metamaterialien, welche nicht durch die Wände einzelner Mikrorollen defniert sind, sondern aus einem Gitter vieler aufgerollter Chrom/InGaAs Mikroröllchen bestehen. Wir haben durch analytische sowie numerische Simulationen gezeigt, dass diese periodischen Strukturen resonant mit der magnetischen Komponente des elektro-magnetischen Feldes wechselwirken und somit eine negative Permeabilität im Ferninfaroten bei Frequenzen von wenigen THz aufweisen. Durch eine Optimierung des Aufrollprozesses wurden Arrays mit einer hohen Röllchendichte hergestellt und erste Transmissionsmessungen im Ferninfraroten durchgeführt.

Description

In this work novel three-dimensional metamaterials are realized by rolling-up strained metal/semiconducting nanolayers. The properties of these artifcial, optical crystals can be described by efective parameters, which are investigated by numerical simulations as well as experimental transmission and refection measurements. Three-dimensional radial metamaterials were fabricated by rolling up a strained Ag/GaAs/InGaAs multilayer into a microroll with several rotations. The radial metama¬terial, which is defned by the windings of the wall of the microroll, exhibits a dispersive and strongly anisotropic permittivity. It is shown by numerical simulations that such structures work as hyperlenses for specifc wavelengths in the visible and near-infrared regime, i.e. they allow magnifed, optical images with subwavelength resolution. To characterize the optical properties of the rolled-up hyperlenses a fber-based transmission and refection setup has been developed. From the measured refectivity and transmis¬sion spectra the operation wavelength of the hyperlens could be determined. We could show experimentally that this wavelength depends on the ratio of layer thicknesses of the Ag/(In)GaAs layers and could be tuned in a wavelength range from 680 nm to 780 nm. Furthermore frst near-feld scanning microscopy measurements were performed in cooperation with the Univerity of Bourgogne to prove the magnifying subwavelength imaging of the hyperlens. A further concept of this work is concerned with metamaterials made of arrays of many rolled-up Chromium/InGaAs microrolls. We have shown by analytical and numerical simulations that these structures interact resonantly with the magnetic component of an electromagnetic feld and exhibit a negative permeability in the far infrared at frequencies ofafewteraherz. Byoptimizingtheroll-upproce