Hybrid plasmonic-photonic nanostructures for enhanced spectroscopies

Abstract

Aquesta tesi està dedicada a la nanofabricació, la caracterització i les aplicacions d’estructures híbrides plasmòniques-fotòniques. La possibilitat de treballar amb la llum a la nanoescala, controlar les seves propietats, dirigir el seu flux i concentrar el seu camp elèctric en volums nanomètrics, ha portat al desenvolupament d’un nou camp de la ciència: la nanoplasmònica. Aquest camp està en continu creixement i, juntament amb la nanotecnología, està portant al desenvolupament de nous sistemes optoelectrònics. Aquestes investigacions tenen un gran impacte en camps des de la medicina fins a la conversió d’energia. D’aquí es deriva la necessitat d’estudiar noves tècniques de nanofabricació i caracterització més assequibles que permetin la fabricació a gran escala d’estructures nanomètriques.

El manuscrit es compon de dos treballs principals dedicats a la utilització de tècniques de nanofabricació híbrides entre bottom-up i top-down.

En primer lloc, s’han fabricat a gran escala noves estructures plasmòniques asimètriques. Les seves propietats òptiques depenen de la polarització lineal o circular de la llum i mostren com l’asimetria geomètrica permet obtenir una resposta òptica específica. D’entre totes les estructures estudiades, les matrius de nanobertura, han estat utilitzades per demostrar l’augment de fluorescència degut a l’interacció d’un colorant amb superfícies metàl·liques nanoestructurades.

En segon lloc, s’han fabricat matrius d’agregats de nanopartícules d’or a través de tècniques d’auto-acoblament guiades per un nanopatró de PDMS. La possibilitat d’ajustar les ressonàncies plasmòniques al llarg de tot l’espectre visible i infraroig proper ha permès adaptar el sistema per la seva utilització com a sensor de SERS en medis biològics.

Esta tesis está dedicada a la nanofabricación, la caracterización y las aplicaciones de estructuras híbridas plasmónica-fotónica. La posibilidad de trabajar con la luz a la nanoescala, controlar sus propiedades, manejar su flujo y concentrar su campo eléctrico en volúmenes nanométricos, ha llevado al desarrollo de un nuevo campo de la ciencia: la nanoplasmónica. Este campo está en continuo crecimiento y, junto con la nanotecnología, está llevando hacia el desarrollo de nuevos sistemas optoelectrónicos. Estas investigaciones tienen un gran impacto en campos desde la medicina hasta la conversión de energía. De ahí se deriva la necesidad de estudiar nuevas técnicas de nanofabricación y caracterización más asequibles que permitan un fácil escalado de estructuras nanométricas.

El manuscrito se compone de dos trabajos principales, ambos dedicados a la utilización de técnicas de nanofabricación híbridas entre bottom-up y top-down.

En primer lugar, se han fabricado en gran escala nuevas estructuras plasmónicas asimétricas. Sus propiedades ópticas dependientes de la polarización lineal o circular de la luz han sido estudiadas desvelando cómo la asimetría geométrica permite obtener una diferente respuesta óptica. Entre todas las estructuras estudiadas, matrices de nanoaperturas han sido utilizadas para demonstrar el aumento de fluorescencia debido a la interacción de un colorante con superficies metálicas nanoestructuradas.

En segundo lugar, se han fabricado matrices de agregados de nanopartículas de oro a través de técnicas de auto ensamblaje guiadas por un nanopatrón de PDMS. La posibilidad de ajustar las resonancias plasmónicas a lo largo de todo el espectro visible e infrarrojo cercano ha permitido adaptar el sistema para la utilización como sensores de SERS en medios biológicos.

This dissertation is the result of the work carried out in the Nanostructured Materials for Optoelectronics and Energy Harvesting (NANOPTO) research group at the Institute of Materials Science of Barcelona. Part of this work was conducted in collaboration with the Bionanoplasmonic group at the CIC BiomaGUNE in San Sebastian. This work is dedicated to the nanofabrication, characterization, and application of complex plasmonic nanostructures with engineered optical properties.

The possibility to play with light at the nanoscale, control its property, mold its flow and concentrate its electric filed in nanometric volumes has led to the arising of a new field of science: nanoplasmonics. This field is constantly growing at a high pace and, along with nanotechnology, is driving the development of next-generation optoelectronic devices. These new research fields have a broad impact from medicine to energy harvesting hence the interest in studying this filed seeking more affordable nanofabrication techniques which will allow the scale-up of plasmonic devices.

The manuscript is divided into three sections, which in turn are divided into several chapters. In Section I, we summarize the optical properties of metals highlighting their importance in plasmonics and describing different approaches to fabricate nanostructured devices, namely top-down and bottom-up. A discussion on the main techniques will highlight the strength of unconventional fabrication methods based on soft nanoimprinting. Section II is dedicated to the fabrication, optical characterization and surface-enhanced fluorescence studies with asymmetric plasmonic crystals. The fabrication process combines thermal nanoimprint lithography (top-down) with tilted thermal evaporation (bottom-up) which allow large scale plasmonic system with homogeneous optical properties over a large area. Finally, section III deals with the merger o nanoimprint lithography and nanoparticle self-assembly to achieve long-range homogeneity of nanoparticles supercrystals. In this discussion, we will present a new controlled method to achieve template self-assembly form both gold nanospheres and nanorods. The optical characterization reveals the hybridization between localized plasmon resonances and diffraction modes which allows the tuning of resonances by changing the lattice parameter of the array. The application of supercrystals as Surface-enhanced Raman spectroscopy sensors will be finally explored, studying intra batch and inter batch signal homogeneity unveiling the critical parameters that affect the SERS signal.