< Terug naar vorige pagina
Project
Beeldvorming met metamaterialen.
Metamaterialen zijn artificiële materialen waarvan de optische eigenschappen ontworpen werden om de gewenste optische interactie te bekomen onder invloed van een aangelegde elektromagnetische golf. Ze bestaan uit structuren met afmetingen kleiner dan de golflengte van de inkomende golf,die we kunnen beschouwen als het equivalent van atomen in een conventioneel materiaal. De gezamelijke interactie van
deze meta-atomen die periodiek of willekeurig geordend kunnen zijn definieert de eigenschappen van het metamateriaal, die beschreven kunnen worden met behulp van effectieve materiaalparameters zoals de permittiviteit, de permeabiliteit, de brekingsindex en de impedantie. In dit werk tonen wij aan hoe deze metamaterialen kunnen aangewend worden als sensoren in het zichtbare en hetnabije infrarood gedeelte
van het elektromagnetische spectrum. De gebruikte meta-atomen zijn opgebouwd uit goud en silica, beiden zeer stabiele en bio-compatiebele materialen. Op het grensvlak tussen nano-dimensionele edelmetaal deeltjes en diëlectrica kunnen collectieve oscillaties van de elektronwolk in het metaaldeeltje aangeslagen worden, welke gekend zijn als plasmons. In deze thesis bestuderen we twee types van deze resonanties: lokale oppervlakte resonanties (in kleine edelmetaal deeltjes) en propagerende plasmon resonanties (op de interface tussen een vlakkeedelmetaal film en een diëlectricum).
De bestudeerde stalen werden geproduceerd door een combinatie van conventionele lithografische processen (top-down), zelf-organisatie gebaseerde nanopartikel lithografische processen (bottom-up) en standaard micro-fabricatie processen. Op die manier realiseerden we een op zelforganisatie gebaseerde variant van de zogenaamde double fishnet metamaterialen die een negatieve brekingsindex vertonen en we vergeleken dit materiaal met referentiestructuren gealiseerd via elektronen-bundel lithografie. We hebben aangetoond dat deze zelforganisatie gebaseerde materialen op grote oppervlaktes gerealiseerdkunnen worden met een beperkt aantal defecten en een vergelijkbaar gedrag als de referentiestructuren.
In het tweede deel van deze thesis hebben we ons toegespitst op willekeurig geordende goud nanodeeltjes bovenop een continue goud film en een dunne silica tussenlaag voor brekingsindex-gebaseerde sensoren. We hebben aangetoond dat we de lijnbreedte van intrinsiek brede dipool-resonanties kunnen verkleinen door naast de intensiteit ook de fase van de resonanties op te meten in spectroscopische ellipsometrie metingen. Door de samples onder een bepaalde hoek te belichten verschuiven de dipool resonanties spectraal ten opzichte van elkaar voor de P- en Spolarizatietoestanden,
waardoor we het fase-verschil tussen in- en uit-fase oscillatie van de elektronwolk ten opzichte van de inkomende golf kunnen meten. De resulterende lijnbreedte van de lokale resonanties wordt hierdoor veel smaller, wat resulteert in een veel hogere waarde voor de kwaliteitsfactor van de resonantie en ultiem
kan leiden tot een verlaging van de detectielimiet voor brekingsindex-gebaseerde sensoren.
In het derde deel van deze thesis hebben we de stalen verder geoptimaliseerd voor toepassing in brekingsindex-gebaseeerde sensoren door van willekeurig geordende structuren naar periodieke structuren over te gaan. We merken dat de effecten van inhomogene verbreding van de resonanties sterk onderdrukt zijn, waardoor smallere lijnbreedtes bekomen worden voor de intensiteit- en fase-gevoelige metingen, watresulteert in een verhoging van de kwaliteitsfactor van de resonanties.Bovendien leent
de periodieke structuur van nanodeeltjes zich als een zeer efficient diractierooster voor het aanslaan van propagerende golven op de onderliggende goudlaag, die sterk interageren met de lokale resonanties in de nanodeeltjes. Wanneer we de invalshoek variëren merken we duidelijk anti-kruisend gedrag van de propagerende en de lokale modes,wat resulteert in zeer asymmetrische resonantiepieken en grotere faseverschillen ten gevolge van Fano-interferenties. We demonstreren dat de interactie tussen beide modes kan gebruikt worden om de gevoeligheid voor de brekingsindex van de lokale mode significant te verhogen, wat in combinatie met de smalle lijnbreedte resulteert in zeer hoge waarden voor dekwaliteitsfactor van de resonantie.
deze meta-atomen die periodiek of willekeurig geordend kunnen zijn definieert de eigenschappen van het metamateriaal, die beschreven kunnen worden met behulp van effectieve materiaalparameters zoals de permittiviteit, de permeabiliteit, de brekingsindex en de impedantie. In dit werk tonen wij aan hoe deze metamaterialen kunnen aangewend worden als sensoren in het zichtbare en hetnabije infrarood gedeelte
van het elektromagnetische spectrum. De gebruikte meta-atomen zijn opgebouwd uit goud en silica, beiden zeer stabiele en bio-compatiebele materialen. Op het grensvlak tussen nano-dimensionele edelmetaal deeltjes en diëlectrica kunnen collectieve oscillaties van de elektronwolk in het metaaldeeltje aangeslagen worden, welke gekend zijn als plasmons. In deze thesis bestuderen we twee types van deze resonanties: lokale oppervlakte resonanties (in kleine edelmetaal deeltjes) en propagerende plasmon resonanties (op de interface tussen een vlakkeedelmetaal film en een diëlectricum).
De bestudeerde stalen werden geproduceerd door een combinatie van conventionele lithografische processen (top-down), zelf-organisatie gebaseerde nanopartikel lithografische processen (bottom-up) en standaard micro-fabricatie processen. Op die manier realiseerden we een op zelforganisatie gebaseerde variant van de zogenaamde double fishnet metamaterialen die een negatieve brekingsindex vertonen en we vergeleken dit materiaal met referentiestructuren gealiseerd via elektronen-bundel lithografie. We hebben aangetoond dat deze zelforganisatie gebaseerde materialen op grote oppervlaktes gerealiseerdkunnen worden met een beperkt aantal defecten en een vergelijkbaar gedrag als de referentiestructuren.
In het tweede deel van deze thesis hebben we ons toegespitst op willekeurig geordende goud nanodeeltjes bovenop een continue goud film en een dunne silica tussenlaag voor brekingsindex-gebaseerde sensoren. We hebben aangetoond dat we de lijnbreedte van intrinsiek brede dipool-resonanties kunnen verkleinen door naast de intensiteit ook de fase van de resonanties op te meten in spectroscopische ellipsometrie metingen. Door de samples onder een bepaalde hoek te belichten verschuiven de dipool resonanties spectraal ten opzichte van elkaar voor de P- en Spolarizatietoestanden,
waardoor we het fase-verschil tussen in- en uit-fase oscillatie van de elektronwolk ten opzichte van de inkomende golf kunnen meten. De resulterende lijnbreedte van de lokale resonanties wordt hierdoor veel smaller, wat resulteert in een veel hogere waarde voor de kwaliteitsfactor van de resonantie en ultiem
kan leiden tot een verlaging van de detectielimiet voor brekingsindex-gebaseerde sensoren.
In het derde deel van deze thesis hebben we de stalen verder geoptimaliseerd voor toepassing in brekingsindex-gebaseeerde sensoren door van willekeurig geordende structuren naar periodieke structuren over te gaan. We merken dat de effecten van inhomogene verbreding van de resonanties sterk onderdrukt zijn, waardoor smallere lijnbreedtes bekomen worden voor de intensiteit- en fase-gevoelige metingen, watresulteert in een verhoging van de kwaliteitsfactor van de resonanties.Bovendien leent
de periodieke structuur van nanodeeltjes zich als een zeer efficient diractierooster voor het aanslaan van propagerende golven op de onderliggende goudlaag, die sterk interageren met de lokale resonanties in de nanodeeltjes. Wanneer we de invalshoek variëren merken we duidelijk anti-kruisend gedrag van de propagerende en de lokale modes,wat resulteert in zeer asymmetrische resonantiepieken en grotere faseverschillen ten gevolge van Fano-interferenties. We demonstreren dat de interactie tussen beide modes kan gebruikt worden om de gevoeligheid voor de brekingsindex van de lokale mode significant te verhogen, wat in combinatie met de smalle lijnbreedte resulteert in zeer hoge waarden voor dekwaliteitsfactor van de resonantie.
Datum:1 jan 2008 → 1 jun 2012
Trefwoorden:Metamaterials, Plasmonics
Disciplines:Toegepaste wiskunde, Materialenwetenschappen en -techniek
Project type:PhD project