Novel materials and geometries for plasmonic crystal based sensors

Il lavoro svolto durante la tesi si è concentrato principalmente sulla fabbricazione di supporti plasmonici nanostrutturati e sulla sintesi di materiali ibridi oraginico/inorganici. Lo scopo finale del lavoro è l’accoppiamento di un materiale ibrido, di per se sensibile, con strutture amplificatrici del segnale, come le strutture plasmoniche, al fine di ottenere un aumento della sensibilità. Sono stati quindi presi in considerazione due ambiti di ricerca (un fisico e uno chimico) apparentemente separati, ma in realtà funzionali l’uno all’altro. In particolare, i plasmoni di superficie (SPPs) sono oscillazioni elettromagnetiche di elettroni localizzati all’interfaccia fra un metallo e un dielettrico. Per questa localizzazione del campo elettromagnetico, i plasmoni sono estremamente sensibili a variazioni di indice di rifrazione o di spessore del dielettrico posto sulla superficie metallica. In quest’ambito, si è approfondito lo studio dei fenomeni associati ai plasmoni di superficie e l’uso di diverse tecniche litografiche (Electron Beam Litography -EBL- , Focused Ion Beam –FIB- ,UV Lithography, Interferential Lithography -IL, Nanoimprinting Lithography-NIL), di deposizione di metalli (crescite elettrolitiche e evaporazione) necessarie alla realizzazione di nanostrutture metalliche. I cristalli plasmonici così ottenuti sono stati caratterizzati sia morfologicamente, con osservazioni al microscopio elettronico a scansione (SEM) e a forza atomica (AFM), sia otticamente, con misure ellissometriche. Per quanto riguarda l’altro ambito di ricerca, si è considerato la sintesi e caratterizzazione di matrici ibride, tramite la tecnica sol-gel, a partire da precursori detti bridged polysilsesquioxanes (BPS), che permettono la realizzazioni di materiali a porosità controllata consentendo a fluidi di potersi introdurre nei pori. In questo lavoro, la matrice sensibile è stata ottenuta introducendo molecole attive al suo interno o utilizzando precursori di per sé sensibili in grado di reagire con un analita. Una struttura a porosità controllata influenza sia i tempi di risposta sia la selettività dei sensori poiché la variazione della dimensione dei pori gioca un ruolo nella permeabilità delle specie chimiche. Le matrici utilizzate sono state quindi ampiamente studiate e caratterizzate attraverso analisi di spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR), analisi termica differenziale (DTA), termo-gravimetrica (TG) ed ellissometriche. Per avere una maggiore flessibilità nella realizzazione di strutture plasmoniche e per poter ottimizzare l’effetto plasmonico si sono cominciati a sviluppare materiali che possono comportarsi come resist, ad es. materiali sensibili alla radiazione UV. Infatti, l’accoppiamento di due dielettrici che abbiamo le stesse costanti dielettriche in un sandwich con un film metallico si prospetta essere uno sviluppo futuro di tale lavoro. In particolare, questo lavoro ha permesso di sviluppare innovativi sistemi per ottenere film porosi, di approfondire la microstruttura dei materiali ibridi sintetizzati e la caratterizzazione della loro porosità tramite tecniche non distruttive e di avere un effettivo miglioramento della sensibilità utilizzando substrati plasmonici in particolare nella rilevazione di vapori di xylene.