Nanostructured materials for plasmonic based gas sensors

Il presente lavoro di tesi è focalizzato sullo sviluppo di sensori ottici di gas basati sulla plasmonica. In particolare saranno studiati sensori basati sia su Risonanza Plasmonica Superficiale Localizzata (LSPR) che su Risonanza Plasmonica Superficiale Propagante (PSPR) noti anche come Plolaritoni Superficiali Propaganti (SPP). Tale tesi è divisa in due capitol principali. Il primo capitolo è dedicato ai sensori basati sulla LSPR, questi sensori sono stati sviluppati usando nanoparticelle di oro (NPs) con forme diverse (quali nanorod (NRs) con aspect ratio media e alta, 3 e 6 rispettivamente, nanodumbell e nanostelle). La LSPR è sensibile ai cambiamenti della costante dielettrica nell’intorno delle particelle, ciò permette di monitorare i gas che interagiscono con la matrice e ciò risulta in uno spostamento in lunghezza d’onda del picco plasmonico. L’utilizzo di diverse forme di NPs è legato al all’obiettivo di migliorare la sensibilità del plasmone ai cambiamenti nell’ambiente circostante. Tale aumento della sensibilità è legato ad un fenomeno di local field enhancement relativo alle forme allungate o con punte, come nel caso delle nanostelle. La maggiore difficoltà relativa all’uso di tali NPs sta nella loro tendenza al cambiare forma e sferoidizzare con la temperatura. Ciò permette di attuare i test di gas sensing solo a basse temperature, quindi per catalizzare le reazioni di ossido-riduzione dovute all’interazione tra i gas e il materiale sensibile vengono utilizzate NPs di platino. I NRs di oro sono stati utilizzati nella microscopia Dark Field (DFM) con applicazioni sensoristiche; tale tecnica permette di monitorare il comportamento ottico dei singoli NRs durante l’interazione con l’idrogeno. La sensibilità dei NRs è stata testata sia in matrice di ossido di titanio (TiO2) che di ossido di zinco (ZnO). Lo ZnO, in quanto material sensibile, è stato utilizzato anche direttamente come materiale plasmonico, grazie al plasmone nell’IR che viene innescato mediante drogaggio con ioni Ga3+ e Al3+, per il sensing di idrogeno e ossido di azoto. E’ stato inoltre utilizzato il TiO2 come materiale sensibile e le sue performances sono state confrontate con quelle dell’SiO2 sol-gel funzionalizzato con gruppi fenile per il sensing dei VOC (Volatile Organic Compound) Aromatici, quali benzene, toluene e xylene. Tutti i materiali studiati in tale capitolo mostrano una buona sensibilità ai gas testati, la cosa più importante è che gran parte delle misure sono state fatte a basse temperature, grazie alla catalisi eterogenea. Tali materiali sono stati anche testati, nel secondo capitolo, utilizzando i SPP, accesi illuminando uno strato nanometrico sinusoidale di oro, facente parte di un cristallo plasmonico, insieme ad uno strato sensibile che quello che entrerà in contatto con l’analita. TiO2 e SiO2 funzionalizzato con gruppi fenile sono stati usati come materiali sensibili nei cristalli plasmonici per monitorare VOC Aromatici e VOC a temperatura ambiente e idrogeno a 300 °C. Le prestazioni sono piuttosto buone, confrontabili con quelle dei sistemi basati su LSPR. Inoltre, il confronto degli stessi materiali sensibili nelle due configurazioni, con plasmoni localizzati e propaganti, permette di capire più a fondo i meccanismi coinvolti.