Au Nanorings - Plasmonic Resonances Simulations

1. Introduzione Risonanze Plasmoniche Nanoring in oro Nanoring in oro Simulazioni di risonanze plasmoniche Nanoring a Catania Produzione Osservazioni AFM Valentina Ferro Simulazioni Il metodo FDTD Risultati ottenuti Università degli Studi di Catania Facoltà di Sc. MM. FF e NN - CdL in Fisica Conclusioni e sviluppi futuri Ringraziamenti 17 Novembre 2011 Relatore: Prof. Giovanni Piccitto Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 1/15

2. Nanotecnologie e Plasmonica Nuovi orizzonti accademici e industriali Introduzione Risonanze Plasmoniche Gli ultimi anni sono stati testimoni del progresso delle Nanoring in oro nanotecnologie, in particolare per quello che riguarda le Nanoring a implementazioni plasmoniche. Catania Produzione I fenomeni plasmonici costituiscono un particolare Osservazioni AFM interesse nel momento in cui nanostrutture metalliche Simulazioni Il metodo FDTD entrano in risonanza con il campo elettromagnetico. Tali Risultati ottenuti Conclusioni e risonanze possono essere utilizzate per diverse sviluppi futuri applicazioni; solo per citarne alcune: Ringraziamenti circuiti fotonici sensori chimici e biologici vettori di farmaci cura di tumori per mezzo di fenomeni termici localizzati aumento dell’efﬁcienza di celle fotovoltaiche Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 2/15

3. Nanotecnologie e Plasmonica Nuovi orizzonti accademici e industriali Introduzione Risonanze Plasmoniche Gli ultimi anni sono stati testimoni del progresso delle Nanoring in oro nanotecnologie, in particolare per quello che riguarda le Nanoring a implementazioni plasmoniche. Catania Produzione I fenomeni plasmonici costituiscono un particolare Osservazioni AFM interesse nel momento in cui nanostrutture metalliche Simulazioni Il metodo FDTD entrano in risonanza con il campo elettromagnetico. Tali Risultati ottenuti Conclusioni e risonanze possono essere utilizzate per diverse sviluppi futuri applicazioni; solo per citarne alcune: Ringraziamenti circuiti fotonici sensori chimici e biologici vettori di farmaci cura di tumori per mezzo di fenomeni termici localizzati aumento dell’efﬁcienza di celle fotovoltaiche Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 2/15

4. Risonanze Plasmoniche Introduzione Risonanze Plasmoniche Modello a plasma di Drude: gli elettroni liberi di un metallo Nanoring in oro sono descritti collettivamente come una nube di particelle che Nanoring a si muove in opposizione agli ioni positivi del reticolo. Catania Produzione Tali elettroni oscillano con una frequenza caratteristica: Osservazioni AFM Simulazioni 2 ne2 Il metodo FDTD ωp = Risultati ottenuti ε0 m Conclusioni e sviluppi futuri Plasmoni di Volume Ringraziamenti Polaritoni Plasmonici Superﬁciali Plasmoni Superﬁciali Localizzati Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 3/15

5. Risonanze Plasmoniche Introduzione Risonanze Plasmoniche Modello a plasma di Drude: gli elettroni liberi di un metallo sono descritti collettivamente come una nube di particelle che Nanoring in oro si muove in opposizione agli ioni positivi del reticolo. Nanoring a Catania Tali elettroni oscillano con una frequenza caratteristica: Produzione Osservazioni AFM 2 ne2 Simulazioni ωp = Il metodo FDTD ε0 m Risultati ottenuti Conclusioni e – – – – – – – – – – – – – – sviluppi futuri Ringraziamenti Plasmoni di Volume + – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – Polaritoni Plasmonici Superﬁciali – – – – – – – – – – – – – – Plasmoni Superﬁciali – – + – – – – – – – – – – – – Localizzati – – – – – – – Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 3/15

6. Risonanze Plasmoniche Introduzione Risonanze Plasmoniche Modello a plasma di Drude: gli elettroni liberi di un metallo sono descritti collettivamente come una nube di particelle che Nanoring in oro si muove in opposizione agli ioni positivi del reticolo. Nanoring a Catania Tali elettroni oscillano con una frequenza caratteristica: Produzione Osservazioni AFM 2 ne2 Simulazioni ωp = Il metodo FDTD ε0 m Risultati ottenuti Conclusioni e sviluppi futuri Dielettrico Plasmoni di Volume Ringraziamenti Polaritoni Plasmonici Superﬁciali +++ ––– +++ ––– Plasmoni Superﬁciali Localizzati Metallo Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 3/15

7. Risonanze Plasmoniche Introduzione Risonanze Plasmoniche Modello a plasma di Drude: gli elettroni liberi di un metallo sono descritti collettivamente come una nube di particelle che Nanoring in oro si muove in opposizione agli ioni positivi del reticolo. Nanoring a Catania Tali elettroni oscillano con una frequenza caratteristica: Produzione Osservazioni AFM 2 ne2 Simulazioni ωp = Il metodo FDTD ε0 m Risultati ottenuti Conclusioni e sviluppi futuri Plasmoni di Volume Ringraziamenti + Polaritoni Plasmonici Superﬁciali Plasmoni Superﬁciali – Localizzati Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 3/15

8. Risonanze Plasmoniche Introduzione Risonanze Plasmoniche Modello a plasma di Drude: gli elettroni liberi di un metallo sono descritti collettivamente come una nube di particelle che Nanoring in oro si muove in opposizione agli ioni positivi del reticolo. Nanoring a Catania Tali elettroni oscillano con una frequenza caratteristica: Produzione Osservazioni AFM 2 ne2 Simulazioni ωp = Il metodo FDTD ε0 m Risultati ottenuti Conclusioni e sviluppi futuri Plasmoni di Volume Ringraziamenti Polaritoni Plasmonici Superﬁciali Plasmoni Superﬁciali Localizzati Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 3/15

9. Nanoring in oro Caratteristiche Introduzione Risonanze Plasmoniche Nanoring in oro Nanoring a Catania Produzione Osservazioni AFM Simulazioni Il metodo FDTD Risultati ottenuti Conclusioni e sviluppi futuri Ringraziamenti Dimensioni Diametro esterno: ∼ 70 ÷ 500nm Spessore: ∼ 10 ÷ 60nm Altezza: ∼ 20 ÷ 140nm Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 4/15

10. Nanoring in oro Caratteristiche Introduzione Risonanze Plasmoniche Nanoring in oro Nanoring a Catania Produzione Osservazioni AFM Simulazioni Il metodo FDTD Risultati ottenuti Conclusioni e sviluppi futuri Ringraziamenti Dimensioni Diametro esterno: ∼ 70 ÷ 500nm Spessore: ∼ 10 ÷ 60nm Altezza: ∼ 20 ÷ 140nm Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 4/15

11. Nanoring in oro Risonanze nei nanoring Introduzione Risonanze L’interesse ai nanoring (NR) è giustiﬁcato perchè essi Plasmoniche presentano risonanze sia nella regione del visibile che Nanoring in oro nell’infrarosso. Nanoring a Catania Produzione Osservazioni AFM Simulazioni Il metodo FDTD Risultati ottenuti Conclusioni e sviluppi futuri Ringraziamenti É possibile inoltre ampliﬁcare anche di 50 volte il campo elettromagnetico in prossimità del nanoring. Determinare le risonanze nei nanoring: Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 Misure sperimentali 5/15

14. Nanoring in oro Risonanze nei nanoring Introduzione Risonanze Plasmoniche Nanoring in oro Nanoring a Catania Produzione Osservazioni AFM Simulazioni Determinare le risonanze nei nanoring: Il metodo FDTD Risultati ottenuti Misure sperimentali Conclusioni e degli spettri di estinzione. sviluppi futuri Ringraziamenti Simulazioni numeriche. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 5/15

17. Produzione self-assembly di NR a Catania Introduzione Risonanze Rufﬁno F., et al. “Formation and evolution of self-organized Au nanorings on Plasmoniche indium-tin-oxide surface”. Applied Physics Letters, 98, 023101, 2011. Nanoring in oro Processo di sputtering Nanoring a Catania Medio vuoto a 2 × 10−2 mbar Produzione Osservazioni AFM Corrente ionica di 50mA Simulazioni Il metodo FDTD Sotto tali condizioni si ottiene: Risultati ottenuti ﬁlm di ∼ 20nm di Au Conclusioni e sviluppi futuri cluster di altezza ∼ 7nm e diametri ∼ 350nm Ringraziamenti Processo di annealing termico Temperature di 300, 500 e 600◦ C Tempi di 20 ÷ 100min a step di 20min per volta Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 6/15

18. Produzione self-assembly di NR a Catania Introduzione Risonanze Rufﬁno F., et al. “Formation and evolution of self-organized Au nanorings on Plasmoniche indium-tin-oxide surface”. Applied Physics Letters, 98, 023101, 2011. Nanoring in oro Processo di sputtering Nanoring a Catania Medio vuoto a 2 × 10−2 mbar Produzione Osservazioni AFM Corrente ionica di 50mA Simulazioni Il metodo FDTD Sotto tali condizioni si ottiene: Risultati ottenuti ﬁlm di ∼ 20nm di Au Conclusioni e sviluppi futuri cluster di altezza ∼ 7nm e diametri ∼ 350nm Ringraziamenti Processo di annealing termico Temperature di 300, 500 e 600◦ C Tempi di 20 ÷ 100min a step di 20min per volta Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 6/15

19. Produzione self-assembly di NR a Catania Introduzione Risonanze Rufﬁno F., et al. “Formation and evolution of self-organized Au nanorings on Plasmoniche indium-tin-oxide surface”. Applied Physics Letters, 98, 023101, 2011. Nanoring in oro Processo di sputtering Nanoring a Au Catania Medio vuoto a 2 × 10−2 mbar nanocluster Produzione Osservazioni AFM Corrente ionica di 50mA 20 nm Au Simulazioni Il metodo FDTD Sotto tali condizioni si ottiene: Risultati ottenuti ﬁlm di ∼ 20nm di Au 100 nm ITO Conclusioni e sviluppi futuri cluster di altezza ∼ 7nm e diametri ∼ 350nm Ringraziamenti Processo di annealing termico Temperature di 300, 500 e 600◦ C Tempi di 20 ÷ 100min a step di 20min per volta Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 6/15

20. Produzione self-assembly di NR a Catania Introduzione Rufﬁno F., et al. “Formation and evolution of self-organized Au nanorings on Risonanze indium-tin-oxide surface”. Applied Physics Letters, 98, 023101, 2011. Plasmoniche Nanoring in oro Processo di sputtering Au Nanoring a Medio vuoto a 2 × 10−2 mbar nanocluster Catania Produzione Corrente ionica di 50mA Osservazioni AFM 20 nm Au Simulazioni Sotto tali condizioni si ottiene: Il metodo FDTD Risultati ottenuti ﬁlm di ∼ 20nm di Au 100 nm ITO Conclusioni e cluster di altezza ∼ 7nm e sviluppi futuri diametri ∼ 350nm Ringraziamenti Processo di annealing termico Temperature di 300, 500 e Au 600◦ C ITO Tempi di 20 ÷ 100min a step di 20min per volta Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 6/15

21. Produzione self-assembly di NR a Catania Introduzione Rufﬁno F., et al. “Formation and evolution of self-organized Au nanorings on Risonanze indium-tin-oxide surface”. Applied Physics Letters, 98, 023101, 2011. Plasmoniche Nanoring in oro Processo di sputtering Au Nanoring a Medio vuoto a 2 × 10−2 mbar nanocluster Catania Produzione Corrente ionica di 50mA Osservazioni AFM 20 nm Au Simulazioni Sotto tali condizioni si ottiene: Il metodo FDTD Risultati ottenuti ﬁlm di ∼ 20nm di Au 100 nm ITO Conclusioni e cluster di altezza ∼ 7nm e sviluppi futuri diametri ∼ 350nm Ringraziamenti Processo di annealing termico Temperature di 300, 500 e 600◦ C s Tempi di 20 ÷ 100min a step di h 20min per volta D d Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 6/15

22. Osservazioni con microscopio a forza Introduzione atomica Risonanze Plasmoniche Nanoring in oro Nanoring a Catania 10 μm Produzione Zmax= 43.3 nm Osservazioni AFM Simulazioni Il metodo FDTD Risultati ottenuti Conclusioni e sviluppi futuri 0 μm 0 μm 10 μm Ringraziamenti Sputtering: Film di Au + cluster Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 7/15

23. Osservazioni con microscopio a forza Introduzione atomica Risonanze Plasmoniche Nanoring in oro Nanoring a Catania 10 μm 15 μm Zmax= 43.3 nm Zmax= 170 nm Produzione Osservazioni AFM Simulazioni Il metodo FDTD Risultati ottenuti Conclusioni e sviluppi futuri 0 μm 0 μm 10 μm 0 μm 0 μm 15 μm Ringraziamenti 100min di annealing a 500◦ C : Sputtering: Fasi intermedie di formazione Film di Au + cluster dei ring Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 7/15

24. Osservazioni con microscopio a forza Introduzione atomica Risonanze Plasmoniche Nanoring in oro Nanoring a Catania 10 μm 15 μm 15 μm Zmax= 118 nm Zmax= 43.3 nm Zmax= 170 nm Produzione Osservazioni AFM Simulazioni Il metodo FDTD Risultati ottenuti Conclusioni e sviluppi futuri 0 μm 0 μm 10 μm 0 μm 0 μm 15 μm 0 μm 0 μm 15 μm Ringraziamenti 100min di annealing a 500 C :◦ 60min di annealing a 600◦ C : Sputtering: Fasi intermedie di formazione Qualche ring si è già formato - Film di Au + cluster dei ring processo statistico Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 7/15

25. Osservazioni con microscopio a forza Introduzione atomica Risonanze Plasmoniche 10 μm 15 μm 15 μm Zmax= 118 nm Zmax= 43.3 nm Zmax= 170 nm Nanoring in oro Nanoring a Catania Produzione Osservazioni AFM Simulazioni 0 μm 0 μm 0 μm 0 μm 10 μm 0 μm 15 μm 0 μm 15 μm Il metodo FDTD Risultati ottenuti 100min di annealing a 500◦ C : 60min di annealing a 600◦ C : Sputtering: Fasi intermedie di formazione Qualche ring si è già formato - Conclusioni e Film di Au + cluster sviluppi futuri dei ring processo statistico Ringraziamenti Evoluzione 20 nm 70 nm 35 nm 50 nm 0 nm 0 nm 0 nm 0 nm 1.5 μm 2.5 μm 1.5 μm 1 μm 1.5 μm 2.5 μm 1.5 μm 1 μm 0 μm 0 μm 0 μm 0 μm 0 μm 0 μm 0 μm 0 μm Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 7/15

26. Osservazioni AFM Analisi di linea Introduzione Risonanze Plasmoniche s = 26.2 nm Nanoring in oro D = 574 nm Nanoring a Catania h = 7.9 nm Produzione d = 303 nm Osservazioni AFM Simulazioni Il metodo FDTD s = 19.4 nm < s >∼ 15 ÷ 25nm Risultati ottenuti D = 561 nm < h >∼ 7 ÷ 9nm Conclusioni e sviluppi futuri < D >∼ 550 ÷ 600nm Ringraziamenti d = 305 nm h = 9.3 nm < d >∼ 300 ÷ 350nm Spessore D−d 2 ∼ 100 ÷ 150nm s = 16.5 nm D = 651 nm h = 7.0 nm d = 363 nm Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 8/15

27. Simulazioni Numeriche Introduzione Risonanze Plasmoniche Nanoring in oro Nanoring a Catania Risulta difﬁcile studiare analiticamente le proprietà Produzione plasmoniche di strutture con geometria complessa, come Osservazioni AFM Simulazioni i nanoring. Il metodo FDTD Risultati ottenuti Determinare le risonanze nei nanoring: Conclusioni e sviluppi futuri Misure sperimentali Ringraziamenti degli spettri di estinzione. Simulazioni numeriche. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 9/15

30. Finite-Difference Time-Domain Method Introduzione Risonanze Plasmoniche Nanoring in oro Nanoring a Risolve le equazioni di Maxwell per mezzo di un Catania Produzione campionamento spaziale e temporale delle componenti Osservazioni AFM del campo elettrico e del campo magnetico. Simulazioni Il metodo FDTD Risultati ottenuti Conclusioni e sviluppi futuri Ringraziamenti Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 10/15

31. Finite-Difference Time-Domain Method Introduzione Risonanze Plasmoniche Nanoring in oro Risolve le equazioni di Maxwell per mezzo di un Nanoring a Catania campionamento spaziale e temporale delle componenti Produzione Osservazioni AFM del campo elettrico e del campo magnetico. Simulazioni Il metodo FDTD Risultati ottenuti Conclusioni e sviluppi futuri Ringraziamenti Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 10/15

32. Finite-Difference Time-Domain Method Introduzione Risonanze Plasmoniche Nanoring in oro Risolve le equazioni di Maxwell per mezzo di un Nanoring a Catania campionamento spaziale e temporale delle componenti Produzione Osservazioni AFM del campo elettrico e del campo magnetico. Simulazioni Il metodo FDTD H H H Risultati ottenuti • • • t = 1.5 Δt Conclusioni e E E E E sviluppi futuri t = Δt Ringraziamenti H H H • • • t = 0.5 Δt E E E E t=0 x=0 x = Δx x = 2 Δx x = 3 Δx Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 10/15

33. FDTD e implementazione in Meep Introduzione Risonanze Per effettuare le simulazioni, si è utilizzato il software libero Plasmoniche Meep (MIT Electromagnetic Equation Propagation), sviluppato Nanoring in oro al MIT da S. G. Johnson, et al., nel gruppo di ricerca del prof. Nanoring a J. D. Joannopoulos e distribuito gratuitamente con licenza Catania Produzione GNU GPL. Osservazioni AFM Simulazioni Implementazione Il metodo FDTD Risultati ottenuti Conclusioni e sviluppi futuri Ringraziamenti Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 11/15

34. FDTD e implementazione in Meep Introduzione Risonanze Per effettuare le simulazioni, si è utilizzato il software libero Plasmoniche Meep (MIT Electromagnetic Equation Propagation), sviluppato Nanoring in oro al MIT da S. G. Johnson, et al., nel gruppo di ricerca del prof. Nanoring a J. D. Joannopoulos e distribuito gratuitamente con licenza Catania Produzione GNU GPL. Osservazioni AFM Simulazioni Implementazione Il metodo FDTD Risultati ottenuti Sorgente: (t−t0 )2 Conclusioni e sviluppi futuri impulso gaussiano ∝ e−iωt− 2w 2 , composto da onde con Ringraziamenti lunghezze d’onda comprese tra ∼ 750nm e ∼ 1400nm. Condizioni al contorno: la cella computazionale è stata “rivestita” di un materiale capace di assorbire perfettamente la radiazione incidente, denominato Perfectly Matched Layer. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 11/15

35. FDTD e implementazione in Meep Introduzione Risonanze Per effettuare le simulazioni, si è utilizzato il software libero Plasmoniche Meep (MIT Electromagnetic Equation Propagation), sviluppato Nanoring in oro al MIT da S. G. Johnson, et al., nel gruppo di ricerca del prof. Nanoring a J. D. Joannopoulos e distribuito gratuitamente con licenza Catania Produzione GNU GPL. Osservazioni AFM Simulazioni Implementazione Il metodo FDTD Risultati ottenuti Sorgente: (t−t0 )2 Conclusioni e sviluppi futuri impulso gaussiano ∝ e−iωt− 2w 2 , composto da onde con Ringraziamenti lunghezze d’onda comprese tra ∼ 750nm e ∼ 1400nm. Condizioni al contorno: la cella computazionale è stata “rivestita” di un materiale capace di assorbire perfettamente la radiazione incidente, denominato Perfectly Matched Layer. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 11/15

36. FDTD e implementazione in Meep Introduzione Risonanze Per effettuare le simulazioni, si è utilizzato il software libero Plasmoniche Meep (MIT Electromagnetic Equation Propagation), sviluppato Nanoring in oro al MIT da S. G. Johnson, et al., nel gruppo di ricerca del prof. Nanoring a J. D. Joannopoulos e distribuito gratuitamente con licenza Catania Produzione GNU GPL. Osservazioni AFM Simulazioni Implementazione Il metodo FDTD Risultati ottenuti Materiali: Conclusioni e sviluppi futuri ITO - Costante dielettrica εITO = 3.8 Ringraziamenti Au - Implementazione “bulk”, con costante dielettrica εAu−bulk = 6.9 Implementazione plasmonica, con funzione dielettrica data da un modello di Drude esteso, contenente dei termini che prendono il nome di “oscillatori di Lorentz” e servono a descrivere in modo più efﬁcace l’oro. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 11/15

39. FDTD e implementazione in Meep Introduzione Risonanze Plasmoniche Implementazione Nanoring in oro Geometria: Nanoring a Catania Semiellissoide con fenditura di forma ellissoidale. Produzione Dimensioni utilizzate: Osservazioni AFM Diametro esterno ∼ D = 590nm; Simulazioni Diametro interno ∼ d = 320nm; Il metodo FDTD Risultati ottenuti Altezza ∼ s = 20nm; Profondità ∼ h = 8nm; Conclusioni e sviluppi futuri Altezza strato di oro ∼ 26nm; Ringraziamenti Cella computazionale di lato pari a 1000nm con PML di 150nm. Risoluzione: 1 pixel = 0.16nm. s h Au D ITO d Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 11/15

43. Risultati ottenuti Implementazione “bulk” Introduzione Risonanze Plasmoniche Nanoring in oro Sezione del piano yz a x = 0, istanti diversi: Nanoring a Catania Produzione Osservazioni AFM Simulazioni Il metodo FDTD Risultati ottenuti Conclusioni e sviluppi futuri Ringraziamenti Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 12/15

44. Risultati ottenuti Implementazione plasmonica Introduzione Risonanze Plasmoniche Nanoring in oro Sezione del piano yz a x = 0, istanti diversi: Nanoring a Catania Produzione Osservazioni AFM Simulazioni Il metodo FDTD Risultati ottenuti Conclusioni e sviluppi futuri Ringraziamenti Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 13/15

45. Risultati ottenuti Implementazione plasmonica Introduzione Risonanze Plasmoniche Nanoring in oro Sezione del piano xy a z = 0, istanti diversi: Nanoring a Catania Produzione Osservazioni AFM Simulazioni Il metodo FDTD Risultati ottenuti Conclusioni e sviluppi futuri Ringraziamenti Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 13/15

46. Risultati ottenuti Implementazione plasmonica Introduzione Risonanze Plasmoniche Nanoring in oro Sezioni del piano xy a z = 12.5nm e z = −6.25nm: Nanoring a Catania Produzione Osservazioni AFM Simulazioni Il metodo FDTD Risultati ottenuti Conclusioni e sviluppi futuri Ringraziamenti Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 13/15

47. Conclusioni e sviluppi futuri Introduzione Risonanze Si è dimostrata la presenza di risonanze nei nanoring prodotti. Plasmoniche Questa caratteristica, unitamente al fatto che essi sono stati Nanoring in oro prodotti con una tecnica a basso costo e industrializzabile, li Nanoring a Catania rende interessante oggetto di studi futuri. Produzione Osservazioni AFM É sicuramente necessaria una analisi quantitativa dei risultati Simulazioni presentati, da ottenere attraverso: Il metodo FDTD Risultati ottenuti Conclusioni e 1 Simulazione degli spettri di estinzione, per determinare sviluppi futuri a quali lunghezze d’onda avvengano le risonanze. Ringraziamenti 2 Calcolo dell’ampliﬁcazione del campo prossimo alla superﬁcie del ring in corrispondenza di tali lunghezze d’onda. 3 Valutazioni a diversi angoli di incidenza della radiazione elettromagnetica sul campione. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 14/15

51. Ringraziamenti Introduzione Risonanze Plasmoniche Nanoring in oro Nanoring a Catania Produzione Osservazioni AFM Simulazioni Il metodo FDTD Risultati ottenuti Grazie per l’attenzione! Conclusioni e sviluppi futuri Ringraziamenti Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 15/15

52. Risonanze Plasmoniche SPP LSP Nanoring in oro Produzione Estinzione Risonanze Applicazioni Nanoring a Catania Produzione Approfondimenti Osservazioni AFM Simulazioni Il metodo FDTD Algoritmo di Yee Implementazione Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011

53. Risonanze Plasmoniche Risonanze Plasmoniche SPP LSP La forma più generale della permittività elettrica ε di un materiale è funzione della frequenza angolare ω della radiazione elettromagnetica incidente. Tale Nanoring in oro Produzione funzione è una funzione a valori complessi ε(ω) = ε1 (ω) + iε2 (ω) che può Estinzione esprimersi come: Risonanze Applicazioni iσ(ω) Nanoring a Catania ε(ω) = 1 + (1) Produzione ε0 ω Osservazioni AFM con σ(ω) conduttività del materiale. Simulazioni Il metodo FDTD Per i metalli descritti per mezzo del modello di Drude, avendo deﬁnito una Algoritmo di Yee 2 ne2 Implementazione frequenza di risonanza ωp = , tale funzione può scriversi come ε0 m ωp2 ε(ω) = 1 − 2 (2) ω + iγω Nel caso speciﬁco di metalli nobili, si dimostra che si può riscrivere la formula in funzione di un certo valore costante 1 ≤ ε∞ ≤ 10, che serve a tener conto di una polarizzazione residua dovuta agli ioni positivi del reticolo cristallino, 2 ωp pertanto la (2) diventa ε(ω) = ε∞ − 2 . ω + iγω Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011

56. Risonanze Plasmoniche Polaritoni Plasmonici di Superficie Risonanze Plasmoniche SPP LSP Nanoring in oro Produzione Estinzione I polaritoni plasmonici di superficie (SPP) sono eccitazioni elettromagnetiche Risonanze che si propagano lungo l’interfaccia tra un dielettrico e un conduttore, confinati Applicazioni invece in direzione perpendicolare. Queste onde elettromagnetiche di Nanoring a Catania Produzione superficie sorgono dall’accoppiamento del campo elettrico con le oscillazioni Osservazioni AFM del plasma elettronico del conduttore. Simulazioni Risolvendo le equzioni di Maxwell per un sistema a singola interfaccia Il metodo FDTD dielettrico-metallo, si ottiene la seguente relazione di dispersione: Algoritmo di Yee Implementazione εm εd β = k0 (3) εm + εd Dove β è la costante di propagazione del SPP, k0 rappresenta il vettore d’onda della luce nel vuoto e m ed d sono rispettivamente le costanti dielettriche (siano esse reali o complesse) rispettivamente del metallo e del dielettrico. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011

57. Risonanze Plasmoniche Polaritoni Plasmonici di Superficie Risonanze Plasmoniche SPP LSP Nanoring in oro Produzione Estinzione I polaritoni plasmonici di superficie (SPP) sono eccitazioni elettromagnetiche Risonanze che si propagano lungo l’interfaccia tra un dielettrico e un conduttore, confinati Applicazioni invece in direzione perpendicolare. Queste onde elettromagnetiche di Nanoring a Catania Produzione superficie sorgono dall’accoppiamento del campo elettrico con le oscillazioni Osservazioni AFM del plasma elettronico del conduttore. Simulazioni Risolvendo le equzioni di Maxwell per un sistema a singola interfaccia Il metodo FDTD dielettrico-metallo, si ottiene la seguente relazione di dispersione: Algoritmo di Yee Implementazione εm εd β = k0 (3) εm + εd Dove β è la costante di propagazione del SPP, k0 rappresenta il vettore d’onda della luce nel vuoto e m ed d sono rispettivamente le costanti dielettriche (siano esse reali o complesse) rispettivamente del metallo e del dielettrico. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011

58. Risonanze Plasmoniche Plasmoni superficiali localizzati Risonanze Plasmoniche SPP LSP I plasmoni superficiali localizzati (LSP) sono eccitazioni degli elettroni di Nanoring in oro Produzione conduzione in nanostrutture metalliche accoppiate al campo elettromagnetico. Estinzione Risonanze Un fenomeno di questo tipo si osserva non appena si è in presenza di un Applicazioni sistema composto da particelle conduttive nanometriche sottoposte a campi Nanoring a Catania Produzione elettromagnetici di lunghezze d’onda maggiori delle dimensioni stesse delle Osservazioni AFM particelle. E’ di fondamentale importanza la geometria stessa della Simulazioni nanostruttura in questione, infatti le curvature della superficie della struttura Il metodo FDTD determinano delle forze di richiamo per gli elettroni liberi, dando luogo a Algoritmo di Yee Implementazione fenomeni di risonanza, come l’amplificazione del campo elettromagnetico stesso all’interno e in prossimità della superficie della nanostruttura. Per lo studio di queste risonanze si usa spesso l’approssimazione di quasi-staticità, per cui si assume che, per lunghezze d’onda molto maggiori delle dimensioni della particella in esame, il campo elettromagnetico oscillante sia praticamente costante nella regione prossima alla particella, così da poter risolvere il problema semplificato di una particella in un campo elettrostatico. La dipendenza armonica del campo può essere aggiunta in un secondo momento. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011

61. Nanoring in oro Tecniche di produzione più utilizzate Risonanze Plasmoniche SPP LSP Litografia colloidale: dei colloidi di polistirene vengono depositati su un Nanoring in oro substrato e poi ricoperti da un sottile strato di oro, quindi si erode l’oro per Produzione mezzo di un fascio ionico (per lo più ioni Ar) e durante l’erosione delle Estinzione Risonanze particelle di oro vengono a depositarsi negli interstizi tra i colloidi sferici di Applicazioni polistirene e il substrato, il tutto subisce infine un attacco chimico e un Nanoring a Catania risciacquo per eliminare il polistirene ed eventuali residui. Produzione Osservazioni AFM Simulazioni Il metodo FDTD Algoritmo di Yee Implementazione Litografia con fascio elettronico: vengono create attraverso il fascio delle maschere con il negativo dei NR da creare, dell’oro viene evaporato sulla maschera e il tutto viene sottoposto ad attacco chimico per la rimozione della maschera stessa, lasciando sul substrato i ring in oro. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011

62. Nanoring in oro Tecniche di produzione più utilizzate Risonanze Plasmoniche SPP LSP Litografia colloidale: dei colloidi di polistirene vengono depositati su un Nanoring in oro substrato e poi ricoperti da un sottile strato di oro, quindi si erode l’oro per Produzione mezzo di un fascio ionico (per lo più ioni Ar) e durante l’erosione delle Estinzione Risonanze particelle di oro vengono a depositarsi negli interstizi tra i colloidi sferici di Applicazioni polistirene e il substrato, il tutto subisce infine un attacco chimico e un Nanoring a Catania risciacquo per eliminare il polistirene ed eventuali residui. Produzione Osservazioni AFM Simulazioni Il metodo FDTD Algoritmo di Yee Implementazione Litografia con fascio elettronico: vengono create attraverso il fascio delle maschere con il negativo dei NR da creare, dell’oro viene evaporato sulla maschera e il tutto viene sottoposto ad attacco chimico per la rimozione della maschera stessa, lasciando sul substrato i ring in oro. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011

63. Nanoring in oro Extinction Cross-Section Risonanze Plasmoniche SPP LSP Nanoring in oro Produzione Il fenomeno di risonanza si quantifica dallo studio del coefficiente di estinzione Estinzione Risonanze o analogamente dalla sezione d’urto di estinzione. Tale grandezza, che si Applicazioni compone di due contribuiti, il primo dovuto all’assorbimento e il secondo Nanoring a Catania dovuto allo scattering del campo elettromagnetico sulla particella, può essere Produzione interpretato come un parametro quantificativo dell’interazione a diverse Osservazioni AFM lunghezze d’onda. Simulazioni Il metodo FDTD Algoritmo di Yee Implementazione Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011

64. Nanoring in oro Risonanze in un nanoring in oro Risonanze Plasmoniche Si applica il modello che descrive le LSP-Resonances per i modi di slab SPP metalliche, che si dividono in modi simmetrici e antisimmetrici. La relazione di LSP dispersione, nel limite di lunghezza d’onda molto maggiore delle dimensioni Nanoring in oro del ring, risulta essere: Produzione Estinzione 2 2 1 ± e−kw Risonanze ω± = ωp (4) Applicazioni (εm + εd ) ± e−dw (εm − εd ) Nanoring a Catania Produzione Con ω± frequenza dei modi simmetrico (−) e antisimmetrico (+), w spessore Osservazioni AFM del ring e k vettore d’onda. Simulazioni Il metodo FDTD Algoritmo di Yee Implementazione I modi simmetrici corrispondono ad una distribuzione di carica con lo stesso segno sia nella parete interna che in quella esterna del ring; quelli antisimmetrici si riferiscono a oscillazioni di cariche di segno opposto tra le pareti interne ed esterne. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011

65. Nanoring in oro Risonanze in un nanoring in oro Risonanze Plasmoniche Si applica il modello che descrive le LSP-Resonances per i modi di slab SPP metalliche, che si dividono in modi simmetrici e antisimmetrici. La relazione di LSP dispersione, nel limite di lunghezza d’onda molto maggiore delle dimensioni Nanoring in oro del ring, risulta essere: Produzione Estinzione 2 2 1 ± e−kw Risonanze ω± = ωp (4) Applicazioni (εm + εd ) ± e−dw (εm − εd ) Nanoring a Catania Produzione Con ω± frequenza dei modi simmetrico (−) e antisimmetrico (+), w spessore Osservazioni AFM del ring e k vettore d’onda. Simulazioni Il metodo FDTD Algoritmo di Yee Implementazione I modi simmetrici corrispondono ad una distribuzione di carica con lo stesso segno sia nella parete interna che in quella esterna del ring; quelli antisimmetrici si riferiscono a oscillazioni di cariche di segno opposto tra le pareti interne ed esterne. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011

66. Nanoring in oro Risonanze in un nanoring in oro Risonanze Plasmoniche SPP L’analisi degli spettri di estinzione mostrano le seguenti dipendenze per i picchi LSP di risonanza: Nanoring in oro Produzione Rapporto tra lo spessore ed il raggio esterno del ring. Estinzione Si nota un grande redshift al diminuire di questo rapporto, i.e. riducendo tale rapporto da un valore Risonanze Applicazioni di 0.22 ad uno di 0.16 per un ring di raggio esterno di 60nm si ottiene uno shift nel picco di risonanza di circa 400nm, da circa 1000nm a circa 1400nm. Nanoring a Catania Produzione Dielettrico in cui i ring sono immersi. Osservazioni AFM Redshift all’aumentare dell’indice di rifrazione. Simulazioni Il metodo FDTD Raggio esterno del ring. Algoritmo di Yee Redshift molto più piccoli all’aumentare del raggio esterno, i.e. si va incontro a spostamenti di circa Implementazione 300nm per variazioni del raggio esterno che vanno da 75 a 150nm. Geometria della sezione verticale del ring e ring accoppiati due a due. Redshift notevolmente più bassi. Proprio alle lunghezze d’onda individuate dai picchi di risonanza, si vanno a fare misure di amplificazione del campo prossimo al nanoring: tale |E| amplificazione viene valutata dal rapporto , dove E rappresenta il campo |Einc | elettrico in prossimità della superficie della nanostruttura e Einc il valore della radiazione incidente. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011

70. Nanoring in oro Applicazioni Risonanze Plasmoniche SPP LSP Nanoring in oro Produzione Il volume racchiuso dal ring è infatti vuoto e quindi accessibile per diverse Estinzione Risonanze applicazioni come sensori e spettroscopie in scala micrometrica. Esempi di Applicazioni applicazioni sono: Nanoring a Catania Ricoprire le superfici dei sensori utilizzati per la SERS (Surface Enhanced Produzione Osservazioni AFM Raman Spectroscopy), che consiste in una tecnica a superficie sensibile che migliora lo scattering Raman da molecole assorbite su superfici Simulazioni Il metodo FDTD metalliche rugose. Algoritmo di Yee √ Implementazione Biosensori: un fattore di amplificazione di campo prossimo di ∼ 5, dell’ordine di quelli osservati proprio al centro della cavità del ring, suggerisce che in tale regione si possa trovare un sito ottimale per rilevare legami molecolari. Sensori ottici chip-based, che possano essere applicati anche per lo sviluppo di farmaci e per la diagnosi e il trattamento di malattie. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011

73. Nanoring a Catania Evoluzione del nanoring Risonanze Plasmoniche SPP LSP Il fenomeno che dà luogo alla formazione del ring, durante il processo di Nanoring in oro annealing può essere interpretato a partire dall’espansione termica che l’Au Produzione subisce sullo strato di ITO. L’oro cresciuto sul substrato di ITO e sottoposto ad Estinzione Risonanze annealing termico, infatti, subisce una espansione lineare che risulta essere Applicazioni maggiore rispetto a quella subita dall’ITO. Nanoring a Catania Produzione 20 nm 70 nm 35 nm 50 nm Osservazioni AFM 0 nm 0 nm 0 nm 0 nm 1.5 μm 2.5 μm 1.5 μm 1 μm Simulazioni 1.5 μm 2.5 μm 1.5 μm 1 μm Il metodo FDTD 0 μm 0 μm 0 μm 0 μm 0 μm 0 μm 0 μm 0 μm Algoritmo di Yee Implementazione (a) (b) (c) (d) I nanocluster di oro subiscono una deformazione maggiore rispetto al substrato e contemporaneamente sono sottoposti ad una tensione, dovuta ai coefficienti di adesione sull’ITO, che ne previene in parte l’espansione fino al raggiungimento di un certo intervallo di tempo critico, oltre il quale gli atomi di oro diffondono dalla regione sottoposta a compressione al centro del nanocluster verso l’esterno. Questo fenomeno dà luogo ad una cavità nella regione centrale del nanocluster e gli atomi eiettati si depositano nella regione esterna del cluster, formando un ring esterno [Ruffino, et al]. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011

Au Nanorings - Plasmonic Resonances Simulations

Recomendados

Recomendados

Más contenido relacionado

Destacado

Destacado (20)

Au Nanorings - Plasmonic Resonances Simulations