Mechanism of surface plasmon polarition propagation for nano-optics applications

Recentemente un nuova emergente linea di ricerca è diventata sempre più di rilevo in ottica: la plasmonica. Questa disciplina studia le sorprendenti proprietà ottiche dei metalli alla nanoscala, che sono sostanzialmente differenti da quelle a scale macroscopiche, alle quali siamo abituati. Questa tesi presenta diversi studi teorico-numerici nel campo della plasmonica, con fini sia di ricerca di base, sia applicativi negli ambiti del fotovoltaico e della sensoristica. Un problema di fondamentale importanza in plasmonica è lo studio dei modi ottici di Bloch di array planari di nanostrutture metalliche, anche detti plasmonic crystal slabs. Presentiamo qui un metodo numerico, basato sulla tecnica degli elementi finiti, per l’analisi modale di tali strutture, tramite il quale è possibile calcolare le dispersioni complesse sia dei modi di Bloch puramente confinati, sia di quelli radiativi. Presentiamo poi un’estesa analisi delle proprietà ottiche di un ben noto cristallo plasmonico, ovvero il reticolo unidimensionale di nano-strisce metalliche. Ci focalizziamo in particolare sulla possibilità di usare tale nanostruttura come sistema di trapping della luce, per applicazioni al fotovoltaico. A tale scopo consideriamo l’integrazione in una cella solare a silicio cristallino e in una organica a film sottile. In entrambi i casi sono analizzati in dettaglio i meccanismi alla base dell’aumento di assorbimento della luce calcolato. Nel primo caso, inoltre, è fornita evidenza sperimentale dell’enhancement predetto teoricamente. Per quanto riguarda le applicazioni alla sensoristica, sono stati condotti tre studi di base. Il primo concerne nanocunei dielettrici ricoperti da un sottile strato metallico, atti ad ottenere l’effetto del nanofocusing plasmonico. Queste strutture permettono di accoppiare efficientemente la luce a plasmoni polaritoni di superficie che sono quindi focalizzati a dimensioni nanometriche sul bordo dei cunei stessi. Simulazioni agli elementi finiti hanno permesso di progettare la struttura, che è stata poi fabbricata attraverso un processo che combina litografia FIB, etching anisotropo del silicio e replica di stampi dielettrici. Tecniche di caratterizzazione in near field e Raman hanno evidenziato la presenza dell’effetto di nanofocusing desiderato. Il secondo studio ha riguardato l’individuazione e ottimizzazione di opportune nanostrutture plasmoniche adatte per l’implementazione in un biosensore basato su un fototransistor ad alta mobilità elettronica (HEMT). Sono state studiate tre diverse nanostrutture, massimizzando la loro risposta ottica a una variazione di indice di rifrazione superficiale. La migliore struttura si è rivelata un reticolo di solchi triangolari su uno strato d’oro. Tale struttura è stata fabbricata e caratterizzata in collaborazione con l’istituto IOM-TASC di Trieste. Per finire, si è studiata una classe di nanostrutture denominate lenti per vortici plasmonici, costituite da solchi a spirale o circolari praticati su una superficie metallica. Il forte interesse per queste strutture scaturisce dal fatto che sono in grado di accoppiare la luce incidente a plasmoni polaritoni di superficie, imprimendo al campo un momento angolare orbitale. Ci siamo concentrati in particolare sulla trasmissione dei vortici plasmonici attraverso lenti plasmoniche con un buco al centro, analizzando in dettaglio le proprietà di momento angolare del campo trasmesso.