In dieser Arbeit werden die optischen Eigenschaften von aufgerollten Metamaterialien sowohl experimentell als auch theoretisch untersucht. Auf Grundlage von verspannten Metall-Halbleiter-Schichten werden durch Selbstorganisation aufgerollte Mikroröllchen hergestellt. Die Wände dieser Mikroröllchen stellen dreidimensionale Metamaterialien aus Metall-Halbleiter-Schichten dar.
Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit aufgerollten passiven Metamaterialien, die aus alternierenden Schichten aus Ag und (In)GaAs bestehen. Die optischen Eigenschaften dieser Metamaterialien werden mit Hilfe von Reflexions-, Transmissions- und Nahfeldtransmissionsmessungen untersucht. Aus den Messungen werden die effektiven Permittivitäten der aufgerollten Metamaterialien ermittelt. Weitere Messungen belegen, dass die Transmission durch diese Metamaterialien optimiert werden kann, indem man die Fabry-Pérot-Resonanzen in der Gesamtschicht des Materials ausnutzt. Mit Hilfe von Simulationen auf Basis der Methode der finiten Differenzen wird gezeigt, dass die aufgerollten Metamaterialen als Breitband-Hyperlinse in einem weiten Bereich des sichtbaren Spektrums eingesetzt werden können.
Im nächsten Teil werden die passiven (In)GaAs-Schichten durch (AlIn)GaAs-Heterostrukturen, die einen optisch aktiven Quantentopf enthalten, ersetzt. Dadurch lassen sich dreidimensionale Metamaterialien herstellen, bei denen Ag-Schichten zwischen Schichten aus aktiven Halbleiterquantenstrukturen eingebettet sind. Die Transmission durch diese aktiven Metamaterialien wird gemessen während der Quantentopf optisch angeregt wird. Die Messungen zeigen, dass die Transmission durch das Metamaterial verstärkt wird, wenn der Quantentopf durch einen Dauerstrichlaser oder einen gepulsten Laser angeregt wird.
Im letzten Teil dieser Arbeit präsentiere ich aufgerollte Metamaterialien, die sowohl einen optisch aktiven Quantentopf als auch eine metallische Nanostruktur enthalten. Insbesondere wird ein Metallgitter in die Metall-Halbleiter-Schichten integriert. Anschließend wird das System durch Selbstorganisation aufgerollt und es entsteht ein aktives Metamaterial mit Gitter. Simulationen zeigen, dass Oberflächenplasmonen durch das Metallgitter angeregt werden und mit dem aktiven Quantentopf gekoppelt werden können. Durch Transmissionsmessungen wird eine effektive Fano-Resonanz nachgewiesen, die aus der Kopplung zwischen Quantentopf und Oberflächenplasmon resultiert.
In this thesis the optical properties of rolled-up metamaterials are studied experimentally and theoretically. Based on the self-rolling concept of strained metal/semiconductor layers, rolled-up microtubes are fabricated. Their walls represent three-dimensional metamaterials consisting of alternating layers of metal and semiconductor.
In the first part of this thesis I present passive metamaterials consisting of several alternating layers of Ag and (In)GaAs. The optical properties of the rolled-up metamaterials are studied by reflection, transmission, and near-field transmission measurements. From transmission and reflection measurements we can determine the effective permittivities of the rolled-up metamaterials. Their transmission can be maximized utilizing Fabry-Pérot resonances in the total thickness of the material. Finite difference time domain simulations furthermore demonstrate that rolled-up metamaterials can act as broadband hyperlenses in a wide range of the visible spectrum.
In the next part the passive (In)GaAs layers are replaced by (AlIn)GaAs heterostructures containing optically active quantum wells. I illustrate that the self-rolling concept allows us to achieve three-dimensional metamaterials where layers of Ag are incorporated between active semiconductor quantum structures. Transmission measurements on these active metamaterials are performed while the embedded quantum well is excited optically with a pump laser. The measurements demonstrate that the transmission of the metamaterial can be enhanced under both continuous wave and pulsed excitation of the embedded quantum well.
In the last part of this thesis I present rolled-up active metamaterials containing an optically active semiconductor quantum structure and a metallic nanostructure. For that purpose a grating is integrated into the planar Ag and (AlIn)GaAs layers and the system is rolled up into an active grating metamaterial. Simulations predict that the optically active quantum well couples to surface plasmon polaritons provided by the metal grating. Indeed, the experimental transmission measurements on rolled-up active grating metamaterials show a coupling between the quantum well and the surface plasmon polariton resulting in an effective Fano resonance.