Numerical modelling of nanoporous anodic alumina photonic structures for optical biosensing

Abstract

Alguns materials mostren propietats físiques, òptiques i químiques particulars en la nanoescala. La nanotecnologia permet al científic millorar les seves propietats modificant l'estructura de la matèria en aquest nivell i aprofitar-les per al desenvolupament de nous dispositius i aplicacions. Particularment important és la investigació en biosensors per tal d'obtenir dispositius més sensibles i fiables, per a desplegar-los en la societat en forma de sistemes de diagnòstic rendibles i fiables. La fabricació d'aquests dispositius en alguns casos implica la manipulació de la llum en aquests materials en la nanoescala, per a això, cal tenir un coneixement profund del comportament òptic de l'estructura. En aquest sentit, l'elecció del material apropiat és decisiva en el desenvolupament de dispositius biosensors. La alúmina anòdica nanoporosa (AAN) és un material porós autoordenat les propietats òptiques del qual en el visible, la seva gran adaptabilitat de l'estructura, la seva capacitat per actuar com a suport o bastida d'objectes petits i la seva estabilitat en condicions biològiques, el fan especialment apropiat com a plataforma per el desenvolupament de biosensors òptics. Els estudis teòrics sobre les propietats òptiques de la AAN són un camp fonamental d'investigació. El modelatge numèric d'aquestes propietats permet comprendre la seva relació amb les característiques estructurals de la AAN, proporcionant un marc conceptual per a l'anàlisi del seu comportament òptic. En aquesta tesi, hem analitzat la idoneïtat i desenvolupat diversos models predictius per a les propietats òptiques de l’AAN, vàlids en una àmplia gamma de característiques geomètriques. Posteriorment, el nostre model de simulació es va aplicar per estudiar la idoneïtat de dos tipus d'estructures d’AAN revestides d'or com a plataforma per al desenvolupament de biosensors plasmònics per reflectometria. Finalment, s'ha realitzat un estudi teòric del comportament òptic mitjançant modelatge numèric d'estructures basades en AAN amb un gradient en l'índex de refracció

Algunos materiales muestran propiedades físicas, ópticas y químicas particulares a nanoescala. La nanotecnología permite al científico mejorar sus propiedades modificando la estructura de la materia en este nivel y aprovecharlas para el desarrollo de nuevos dispositivos y aplicaciones. Particularmente importante es la investigación en biosensores con el fin de obtener dispositivos más sensibles y confiables para desplegarlos en la sociedad en forma de sistemas de diagnóstico rentables y confiables. La fabricación de tales dispositivos en algunos casos implica la manipulación de la luz en estos materiales en la nanoescala, para lo cual, es necesario tener un conocimiento profundo del comportamiento óptico de la estructura. En este sentido, la elección del material apropiado es decisiva en el desarrollo de dispositivos biosensores. La alúmina anódica nanoporosa (AAN) es un material poroso autoordenado cuyas propiedades ópticas en lo visible, su gran adaptabilidad de la estructura, su capacidad para actuar como soporte o andamio de objetos pequeños y su estabilidad en condiciones biológicas lo hacen especialmente apropiado como plataforma para el desarrollo de biosensores ópticos. Los estudios teóricos sobre las propiedades ópticas de la AAN son un campo fundamental de investigación. El modelado numérico de estas propiedades permite comprender su relación con las características estructurales de la AAN, proporcionando un marco conceptual para el análisis de su comportamiento óptico. En esta tesis, hemos analizado la idoneidad y desarrollado varios modelos predictivos para las propiedades ópticas de la AAN válidos en una amplia gama de características geométricas. Posteriormente, nuestro modelo de simulación se aplicó para estudiar la idoneidad de dos tipos de estructuras AAN revestidas de oro como plataforma para el desarrollo de biosensores plasmónicos por reflectometría. Finalmente, se ha realizado un estudio teórico del comportamiento óptico mediante modelado numérico de estructuras basadas en AAN con un gradiente en el índice de refracción.

Some materials shown particular physical, optical and chemical properties at the nanoscale. The nanotechnology permits to scientist enhance their properties modifying the matter structure at this level and take advantage of them for the development of new devices and applications. Particularly important is the research in biosensing in order to obtain more sensitive and reliable devices with a view for their deployment to society in the form of cost-effective and reliable diagnostic systems. The manufacturing of such devices in some cases implies the manipulation of the light in these materials at the nanoscale, for which it implies to have a deep knowledge of the optical behaviour of the structure. In this sense, the election of the appropriate material is decisive in the development of biosensing devices. Nanoporous anodic alumina (NAA) is a self-ordered porous material which their optical properties in the visible, their great tunability of the structure, their ability to act as a holder or scaffold of small objects and their stability under biological conditions make it especially appropriate as a platform for the development of optical biosensors. Theoretical studies on the NAA optical properties is a fundamental field of research. The numerical modelling of these properties permits to understand their relationship with the structural features of the NAA, providing a conceptual framework for the analysis of their optical behaviour. In this thesis, we have analyzed the suitability and developed several predictive models for the optical properties of the NAA valid in a wide range of geometrical characteristics. Subsequently our simulation model has been applied to study the suitability of two types of gold-coated NAA structures as a platform for reflectometric-based plasmonic biosensors. Finally, a theoretical study of the optical behaviour by means of numerical modelling of gradient-index NAA (NAA-GI) based structures has been performed.