Μελέτη φθορισμού υλικών σε νανοδομημένες μεταλλικές επιφάνειες υπό την επίδραση πλασμονικών-πολαριτονικών διεγέρσεων.

Transcript

1 Μελέτη φθορισμού υλικών σε νανοδομημένες μεταλλικές επιφάνειες υπό την επίδραση πλασμονικών-πολαριτονικών διεγέρσεων. N. Παπανικολάου Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής Διπλωματική εργασία Π. Θεοδώνη (ΕΚΠΑ) Ι. Ράπτης, Μ. Χατζηχρηστίδη, Π. Μπαγιάτη, Β. Βαμβακάς, ΙΜ Π. Πέτρου, Σ. Κακαμπάκος ΙΡΡΠ Θ. Σπηλιώτης, ΙΕΥ Α.-Μ. Gerardino, Ν. Στεφάνου, Ι. Ζεργιώτη, Ι.Σ. Ράπτης

2 Σκοπός του έργου Δημιουργία μιας νέας ερευνητικής κατεύθυνσης Ανάπτυξη τεχνογνωσίας θεωρητικής και κυρίως πειραματικής σε φυσική πλασμονίων, νανοφωτονική. Ανίχνευση φαινομένων που οφείλονται σε επιφανειακά πλασμόνια Αποδοτικοί εκπομποί υπερύθρου Επίδραση των πλασμονικών διεγέρσεων στο φθορισμό βιολογικών υλικών Ενισχυμένη από την επιφάνεια σκέδαση Raman (SERS)

3 Μικρή εισαγωγή, επιφανειακά πλασμόνια Eπιφανειακές καταστάσεις του ΕΜ πεδίου που εμφανίζονται σε διεπιφάνειες, μετάλλου-διηλεκτρικού ή σε μεταλλικά νανοσωματίδια ΗΜ πεδίο Ταλάντωση ηλεκτρονίων μετάλλου Η διέγερση επιφανειακών πλασμονίων συνοδεύεται από: Εντοπισμό του ΗΜ πεδίου (d<λ) Αύξηση της έντασης του ΗΜ πεδίου Ένας τρόπος χειρισμού του κοντινού πεδίου, (near field) εφαρμογές σε μη γραμμική οπτική, μεταϋλικά, κυματοδήγηση φωτός στη νανοκλίμακα, βιολογικούς και χημικούς αισθητήρες, κ.α.

4 Ενισχυμένη διέλευση μέσω περιοδικών δομών οπών μικρότερων του μήκους κύματος σε μεταλλικά υμένια Διέλευση φωτός μέσω μεμονωμένων οπών, r << λ Bethe Phys. Rev. 66, (1944) Ιδανική οπή Ενισχυμένη διέλευση λόγω διέγερσης πλασμονίων Ebbesen et al. Phys. Rev. B 58, 6779 (1998) πλεγματική σταθερά, α = 900 nm διάμετρος οπών, d = 150 nm πάχος Ag, h = 200 nm Ενισχυμένη διέλευση φωτός Φιλτράρισμα μηκών κύματος Αυξημένη ένταση πεδίου

5 Μορφοποιημένα λεπτά μεταλλικά υμένια Al πάνω σε υπόστρωμα Si λ ( ) ( ) i j = α i + j 2 ε ε ε + ε max, m d m d α = 5 μm d = 2.7 μm πάχος Al = 100 nm πάχος Si = 380 μm d d Al Substrate Si Transmittance ,0 1,0 1,1 2,2 1,2 0,2 1, ,1 Wavelength (µm) Φασματοσκοπία υπερύθρου (FTIR), ΙΜ Reflectance 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 d=2 µm 0,5 d=2.7 µm 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Wavelength (µm)

6 Διέγερση επιφανειακών πλασμοπολαριτονίων Επίπεδη μεταλλική επιφάνεια Τετραγωνικό πλέγμα οπών πλεγματικής σταθεράς α k SPP ω = c εmεd ε + ε m air light cone d, k > k = sinθω ε c SPP d Εντοπισμός φωτός στην επιφάνεια kspp = kx ± igx ± jgy G x air light cone = G = 2π α y 0 π α 0 π α Μήκη κύματος διέγερσης επιφανειακών πλασμονίων για κάθετη πρόσπτωση Ενισχυμένη διέλευση λ ( ) ( ) i j = α i + j 2 ε ε ε + ε, m d m d

7 Μορφοποιημένα λεπτά μεταλλικά υμένια πάνω σε φωτονικό κρύσταλλο Si 0,010 0,008 Al Si Trasmittance Reflectance 0,006 0,004 0,002 0,000 R ,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Wavelength (µm) 0, R Reflectance α = 5 μm d = 2.7 μm πάχος Al = 100 nm βάθος οπών = 6 μm 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Λιθογραφία, εγχάραξη πλάσματος, SEM: IM, εναπόθεση Al: IEY 0, Wavelength (µm) Wavelength (µm) 12 o 25 o 40 o

8 Μορφοποιημένα λεπτά μεταλλικά υμένια πάνω σε φωτονικό κρύσταλλο Si 1,0 0,9 0,8 Διαφορετικά βάθη Διαφορετικές διάμετροι Reflectance 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Hole Depth 6 µm 2 µm 0, , Wavelength (µm) 0.8 Reflectance Hole diameter 2.7 µm 3.2 µm 3.7 µm 0.3 d = 2.7 μm d = 3.2 μm d = 3.7 μm Wavelength (µm)

9 Θεωρητική μελέτη με ηλεκτρομαγνητικές προσομοιώσεις με μεθόδους πολλαπλής σκέδασης α = 1.5μm d hole = 0.75μm πάχος Au =0.3 μm = 1.3μm h hole Au Si Reflectance 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Wavelength (µm) Hole Depth 6 µm 2 µm ( f ) ( f ) 1+ 2f + 21 ε ε = ε ε f f = V V κυλίνδρου ε 3 Υπολογισμοί με μεθόδους πολλαπλής σκέδασης ΗΜ κυμάτων που αναπτύσσουμε. ολικό

10 Emittance (Wm -2 sr -1 µm -1 ) 0,016 0,014 0,012 0,010 0,008 0,006 0,004 0,002 Φωτονικοί κρύσταλλοι Si επικαλυμμένοι με μέταλλο για αποδοτική θερμική εκπομπή 500K Blackbody 500K 300K BlackBody 300K 0, Wavelength (µm) I ( λ T) = μm 6 A= 1 R T ε = ( λ, ) = ε ( λ, ) I T I T BB 5 10 hc λkt A BB Al Si hc 1, W m sr λ e 1 Νόμος Kirchhoff θερμικής ακτινοβολίας: Σε κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας η απορρόφηση ακτινοβολίας ισούται με την εκπομπή Εκπομπός Φίλτρο Φωτοβολταϊκή δίοδος Θερμοφωτοβολταϊκά Ρεύμα

11 Μελέτη φθορισμού σε νανοδιαμορφωμένες μεταλλικές επιφάνειες Κύλινδροι PMMA σε τετραγωνικό πλέγμα...επικαλυμμένοι με χρυσό 4 διαφορετικές γεωμετρίες d=150 nm, a=300, 350 nm d=200 nm, a=400, 500 nm Λιθογραφία ηλεκτρονικής δέσμης: Α.-Μ. Gerardino, CNR-Istituto di Fotonica e Nanotecnologie, Ρώμη

12 Οπτικός χαρακτηρισμός των δομών Reflectance au11a au12a au13a au14a a16a Reflectance au31a au32a au33a au34a au35a Wavelength (nm) Wavelength (nm) Reflectance au21a au22a au23a au24a au25a Wavelenght (nm) 4 διαφορετικές γεωμετρίες πάνω σε γυαλί (quartz) au41a au41a au42a au43a au44a au45a Wavelength (nm) d=150 nm, a=300, 350 nm d=200 nm, a=400, 500 nm Οπτική ανακλαστικότητα: ThetaMetrisis FR-μProbe, IM

13 Μελέτη φθορισμού σε νανοδιαμορφωμένες μεταλλικές επιφάνειες Όλο το δείγμα επικαλύφθηκε με αντισώματα AntiRabit IgG με φθορίζουσα ουσία alexafluor 546. Εικόνες παρατήρησης σε μικροσκόπιο φθορισμού (ΙΡΡΠ) με φωτισμό στα 546nm και παρατήρηση στα 575 nm περίπου. διαφορετικές δομές

14 Ηλεκτροδυναμικοί υπολογισμοί για περιοδικά νανο-σάντουιτς μέταλλο-διηλεκτρικό-μέταλλο. K. H. Su, Q. H. Wei, and X. Zhang, Appl. Phys. Lett. 88, (2006) A. Dmitriev, T. Pakizeh, M. Käll, and D. S. Sutherland, Small 3, 294 (2007) Quartz substrate

15 Ενισχυμένη από την επιφάνεια σκέδαση Raman (SERS) Φάσματα Raman από Ροδαμίνη 6G σε νερό ή μεθανόλη πάνω σε περιοδικές νανοδομές αργύρου Ενίσχυση του σήματος Raman >10 3 Intensity (a.u.) R6G/methanol concentration on silvered PMMA nanopillars, λ=472,7 nm (1): 0,2 μw/(μm) 2,cylindr. lens (2): 20 μw/(μm) 2, spher. lens (3): 20 mw/(μm) 2, out-of-structures (1) (2) Raman Shift (cm -1 ) (3) Σε συνεργασία με Ι. Ζεργιώτη, Ι.Σ. Ράπτη, Σ.Ε.Μ.Φ.Ε., ΕΜΠ

16 Επίλογος - Προοπτικές Ξεκίνησε μια νέα κατεύθυνση έρευνας στη μελέτη και τις εφαρμογές επιφανειακών πλασμονίων. Εφαρμογές σε οπτικά, και υπέρυθρα μήκη κύματος. Επιβεβαιώσαμε το φαινόμενο της ενισχυμένης εκπομπής, μελετήσαμε αποδοτικούς εκπομπούς υπερύθρου, ενίσχυση του φθορισμού, ενισχυμένη επιφανειακή σκέδαση Raman, (SERS). Επιπλέον δοκιμάσαμε (χωρίς επιτυχία) ενισχυμένη από την επιφάνεια απορρόφηση υπερύθρου (SEIRA). Ανίχνευση θειολών σε μικρές συγκεντρώσεις, τα αποτελέσματα δεν ήταν επαναλήψημα... Ανάπτυξη μεθόδων υπολογισμού του φθορισμού (συνεργασία Ν. Στεφάνου ΕΚΠΑ). Εύρεση εναλλακτικών (φθηνών) υποστρωμάτων, π.χ. αυτοοργανούμενες σφαίρες πολυστυρενίου. Η μελέτη επιφανειακών πλασμονίων, και η νανοφωτονική θα επωφεληθεί από τη λιθογραφία ηλεκτρονίων (e-beam) που θα εγκατασταθεί σύντομα στο ΙΜΗΛ.

17 Δημοσιεύσεις Efficient infared emission from patterned thin metal films on a Si photonic crystal P. Theodoni, V. Em. Vamvakas, Th. Speliotis, M. Chatzichristidi, P. Bayiati, Raptis, and N. Papanikolaou Phys. stat. sol. (a) 205, No. 11, (2008) Calculations of the optical response of metallodielectric nanostructures of nonspherical particles by a layer-multiple scattering method N. Papanikolaou, G. Gantzounis, and N. Stefanou Proc. of SPIE, D(1-12) (2008) Efficient infared emission from periodically patterned thin metal films on a Si photonic crystal P. Theodoni, P. Bayiati, M. Chatzichristidi, Th. Speliotis, V. Em. Vamvakas, I. Raptis, and N. Papanikolaou, Microelect. Eng (2008) Understanding artificial optical magnetism of periodic metal-dielectric-metal layered structures C. Tserkezis, N. Papanikolaou, G. Gantzounis, N. Stefanou, Phys. Rev. B 78, (2008) Optical properties of metallodielectric nanosandwiches N. Papanikolaou, G. Gantzounis, and N. Stefanou Phys. stat. sol. (c) 5, No. 12, (2008)

18

19 Scattering Method i 0 0 E ˆ ˆ 0() r = a Em j ( qr ) X m() r + a Hm j ( qr ) X m() r m q q = ω εµ / c i + + ˆ ˆ sc() a Em h + ( qr ) m() a Hm h + E r = X r + ( qr ) X m() r m q a = T a P= EH, + 0 Pm PmP ; ' ' m' P' ' m' P' ' m' Extended Boundary Condition method for T-matrix M.I. Mishchenko et al. (2002)

20 Solving the multiple scattering problem 0 a P m +7 bp m +3 bp m +6 bp m +4 bp m b' = Ω b + 1 1' i i' Pm PmP ; ' ' m' P' ' m' ip ' ' ' m' +2 bp m + i 0 i P m = P m; P' ' m' P' ' m' + P' ' m' P' ' m' b T ( a b ) bp m bp m +9 bp m a i ii' + i' i 0 1 TP m; P'' '' m'' Ω P'' '' m''; P' ' m' bp' ' m' = TP m; P' ' m' ap' ' m' i' P' ' m' P'' '' m'' P' ' m'

21 Build structures layer by layer Spherical plane waves The scattering of each layer is described by the Q matrices. MULTEM2: N. Stefanou et al. Comp. Phys. Comm. 132, 189 (2000) Non spherical: G. Gantzounis and N. Stefanou PRB 73, (2006)

22

23

24

25 Φωτονικός κρύσταλλος Si Si d d Si α = 5 μm d = 2.5 μm βάθος οπών = 5 μm 1,0 1,0 0,9 0,9 0,8 0,8 Transmittance 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 Reflectance 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,2 0,1 0,1 0, , Wavelength (µm) Wavelength (µm)