In dieser Arbeit wurden Metamaterialien mit analytischen Rechnungen und Computersimulationen untersucht. Die Ergebnisse wurden in acht Publikationen in wissenschaftlichen Zeitschriften mit Peer-Review-Verfahren präsentiert, die in diese Arbeit eingebettet wurden und die in drei Teile unterteilt werden können:
(i) Aufgerollte Metamaterialien: In vorherigen Arbeiten wurde in unserer Gruppe gezeigt, dass verspannte Metall-Halbleiter Schichten verwendet werden können, um Metamaterialien basierend auf Metall-Halbleiter-Mikroröllchen herzustellen. In Publikation 1 untersuchen wir die Verwendung der Wände von Metall-Halbleiter-Mikroröllchen als breitbandige Hyperlinsen und zeigen, dass die Hyperlinsen-Eigenschaft nicht nur an der effektiven Plasmafrequenz dieser Struktur vorhanden ist, sondern über einen breiten Spektralbereich existiert. Publikation 2 untersucht die Erzeugung einer magnetischen Anregung mit Hilfe einer regelmäßigen Anordnung von Metall-Halbleiter-Mikroröllchen. Wir finden, dass wenn die geometrischen Parameter der Röllchen passend gewählt werden, eine negative Permeabilität bei Terahertz-Frequenzen erreicht werden kann. Wir zeigen in Publikation 3, dass durch die Strukturierung einer Röllchenwand mit einem Lochgitter durch das Verfahren der Fokussierten Ionenstrahlen, eine Fishnet-Struktur mit einem negativen Brechungsindex im nahinfraroten Bereich erhalten werden kann. Unsere Aufrolltechnik erlaubt gestapelte Halbleiter-Quantentöpfe, welche zwischen plasmonischen Nanostrukturen eingebracht sind, herzustellen. In Publikation 4 untersuchen wir den Einfluss von Oberflächenplasmonen auf die Verstärkung im Quantentopf und finden eine Fano-typische Kopplung, die zu einer starken Transmissionsüberhöhung führen kann.Die Computersimulationen wurden mit den kommerziell erhältlichen Softwareprogrammen Lumerical FDTD Solutions, CST Microwave Studio und COMSOL Multiphysics durchgeführt. Die ersten beiden Programme basieren auf der finite-difference time-domain Methode, das letztere ist ein Finite-Elemente-Programm.
In this thesis we investigated radial metamaterials analytically and with computer simulations. The results are presented in eight publications in peer-reviewed journals that are included in this thesis and can be divided into three topics:
(i) Rolled-up metamaterials: In previous works in our group it was demonstrated that self-rolling strained metal-semiconductor layers can be used to produce metamaterials based on metal-semiconductor microtubes. In publication 1 we investigate the use of the walls of metal-semiconductor microtubes as broadband hyperlenses and demonstrate that the hyperlensing ability is not limited to the effective plasma frequency of the structure, but occurs over a broad frequency range. Publication 2 investigates the creation of a magnetic response in arrays of metal-semiconductor microtubes. It is found that, if the structure dimensions are appropriately chosen, a negative effective permeability at terahertz frequencies can be achieved. We show in publication 3 that by drilling an array of nanoholes into the wall of a metal-semiconductor tube, a fishnet structure with a negative refractive index at near-infrared frequencies can be obtained. Our rolling-up technique allows the fabrication of stacked semiconductor quantum wells that are sandwiched between plasmonic nanostructures. In publication 4 we investigate the influence of surface plasmon polaritons on the quantum-well gain and find a fano-type coupling that can provide a strong transmission enhancement.The computer simulations have been carried out by utilizing the commercial softwares Lumerical FDTD Solutions, CST Microwave Studio and COMSOL Multiphysics. While the first two are based on the finite-difference time-domain method, the latter one is a finite-element solver.