Meso- and nano-structured metal-dielectric interfaces for plasmonic nanofocusing

All’aumentare della richiesta di dispositivi ottici di scala nanometrica, la possibilità di confinare la luce su scale di lunghezza inferiori a quelle consentite dal limite di diffrazione della luce ha iniziato ad attrarre un enorme interesse. Una possibile soluzione a questo problema è offerta dalla Plasmonica. In determinate condizioni, un'interfaccia metallo-dielettrico supporta Plasmoni di Superficie (SP), cioè eccitazioni elettromagnetiche fortemente accoppiate alle oscillazioni degli elettroni liberi nel metallo. Grazie a queste eccitazioni, l’energia elettromagnetica può essere confinata in un volume di dimensioni inferiori alla lunghezza d’onda della luce vicino alla superficie metallica. Questo apre la strada a una vasta gamma di opportunità e applicazioni, dal fotovoltaico alla biosensoristica. L’obiettivo di questa tesi è stato progettare interfacce metallo-dielettrico al fine di eccitare hotspot plasmonici, cioè regioni di dimensioni nanometriche dove il campo elettromagnetico è fortemente potenziato. Come accennato sopra, questo può essere ottenuto meso- e/o nano-strutturando opportunamente la superficie del metallo. Le proprietà delle interfacce metallo-dielettrico che emergono da questi studi sono di particolare interesse nel campo della sensoristica, ma sono anche di interesse più fondamentale. Sono proposte diverse classi di dispositivi. Siamo partiti da reticoli plasmonici digitali, studiando a fondo i loro modi di eccitazione. Ci siamo poi spostati su nanostrutture che supportano una Risonanza Plasmonica di Superficie Localizzata (LSPR), nello specifico nanoantenne plasmoniche, che sono di particolare interesse per il potenziamento di tecniche sensoristiche ben consolidate come il SERS. Venendo poi al nanofocusing, abbiamo studiato strutture plasmoniche tipo wedges (cunei) – che forniscono nanofocusing adiabatico sulla loro cresta – e strutture tipo bull’s eye/spirali di Archimede, in grado di generare e focalizzare Plasmoni Superficiali che trasportano momento angolare orbitale (OAM). Infine, abbiamo proposto un'integrazione non banale degli effetti sopra citati, in forma di una spirale di Archimede accoppiata a una nanoantenna. In parallelo, abbiamo collaborato con la ditta A.P.E. Research per sviluppare un nuovo strumento di caratterizzazione, chiamato EllipsSNOM. Esso consiste nell’implementazione di una testa SNOM su un ellissometro spettroscopico J.A. Woollam Co. Inc. Variable Angle Spectroscopic Ellipsometer (VASE). Questo intrigante obiettivo è stato perseguito al fine di ottenere il controllo simultaneo delle proprietà di campo lontano e di campo vicino delle strutture; ellissometria e microscopia SNOM sono infatti entrambe tecniche essenziali per realizzare una completa caratterizzazione dei nanodispositivi plasmonici.