Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.

Au Nanorings - Plasmonic Resonances Simulations

784 views

Published on

  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

Au Nanorings - Plasmonic Resonances Simulations

  1. 1. IntroduzioneRisonanzePlasmoniche Nanoring in oroNanoring in oro Simulazioni di risonanze plasmonicheNanoring aCataniaProduzioneOsservazioni AFM Valentina FerroSimulazioniIl metodo FDTDRisultati ottenuti Università degli Studi di Catania Facoltà di Sc. MM. FF e NN - CdL in FisicaConclusioni esviluppi futuriRingraziamenti 17 Novembre 2011 Relatore: Prof. Giovanni Piccitto Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 1/15
  2. 2. Nanotecnologie e Plasmonica Nuovi orizzonti accademici e industrialiIntroduzioneRisonanzePlasmoniche Gli ultimi anni sono stati testimoni del progresso delleNanoring in oro nanotecnologie, in particolare per quello che riguarda leNanoring a implementazioni plasmoniche.CataniaProduzione I fenomeni plasmonici costituiscono un particolareOsservazioni AFM interesse nel momento in cui nanostrutture metallicheSimulazioniIl metodo FDTD entrano in risonanza con il campo elettromagnetico. TaliRisultati ottenutiConclusioni e risonanze possono essere utilizzate per diversesviluppi futuri applicazioni; solo per citarne alcune:Ringraziamenti circuiti fotonici sensori chimici e biologici vettori di farmaci cura di tumori per mezzo di fenomeni termici localizzati aumento dell’efficienza di celle fotovoltaiche Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 2/15
  3. 3. Nanotecnologie e Plasmonica Nuovi orizzonti accademici e industrialiIntroduzioneRisonanzePlasmoniche Gli ultimi anni sono stati testimoni del progresso delleNanoring in oro nanotecnologie, in particolare per quello che riguarda leNanoring a implementazioni plasmoniche.CataniaProduzione I fenomeni plasmonici costituiscono un particolareOsservazioni AFM interesse nel momento in cui nanostrutture metallicheSimulazioniIl metodo FDTD entrano in risonanza con il campo elettromagnetico. TaliRisultati ottenutiConclusioni e risonanze possono essere utilizzate per diversesviluppi futuri applicazioni; solo per citarne alcune:Ringraziamenti circuiti fotonici sensori chimici e biologici vettori di farmaci cura di tumori per mezzo di fenomeni termici localizzati aumento dell’efficienza di celle fotovoltaiche Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 2/15
  4. 4. Risonanze PlasmonicheIntroduzioneRisonanzePlasmoniche Modello a plasma di Drude: gli elettroni liberi di un metalloNanoring in oro sono descritti collettivamente come una nube di particelle cheNanoring a si muove in opposizione agli ioni positivi del reticolo.CataniaProduzione Tali elettroni oscillano con una frequenza caratteristica:Osservazioni AFMSimulazioni 2 ne2Il metodo FDTD ωp =Risultati ottenuti ε0 mConclusioni esviluppi futuri Plasmoni di VolumeRingraziamenti Polaritoni Plasmonici Superficiali Plasmoni Superficiali Localizzati Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 3/15
  5. 5. Risonanze PlasmonicheIntroduzioneRisonanzePlasmoniche Modello a plasma di Drude: gli elettroni liberi di un metallo sono descritti collettivamente come una nube di particelle cheNanoring in oro si muove in opposizione agli ioni positivi del reticolo.Nanoring aCatania Tali elettroni oscillano con una frequenza caratteristica:ProduzioneOsservazioni AFM 2 ne2Simulazioni ωp =Il metodo FDTD ε0 mRisultati ottenutiConclusioni e – – – – – – – – – – – – – –sviluppi futuriRingraziamenti Plasmoni di Volume + – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – Polaritoni Plasmonici Superficiali – – – – – – – – – – – – – – Plasmoni Superficiali – – + – – – – – – – – – – – – Localizzati – – – – – – – Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 3/15
  6. 6. Risonanze PlasmonicheIntroduzioneRisonanzePlasmoniche Modello a plasma di Drude: gli elettroni liberi di un metallo sono descritti collettivamente come una nube di particelle cheNanoring in oro si muove in opposizione agli ioni positivi del reticolo.Nanoring aCatania Tali elettroni oscillano con una frequenza caratteristica:ProduzioneOsservazioni AFM 2 ne2Simulazioni ωp =Il metodo FDTD ε0 mRisultati ottenutiConclusioni esviluppi futuri Dielettrico Plasmoni di VolumeRingraziamenti Polaritoni Plasmonici Superficiali +++ ––– +++ ––– Plasmoni Superficiali Localizzati Metallo Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 3/15
  7. 7. Risonanze PlasmonicheIntroduzioneRisonanzePlasmoniche Modello a plasma di Drude: gli elettroni liberi di un metallo sono descritti collettivamente come una nube di particelle cheNanoring in oro si muove in opposizione agli ioni positivi del reticolo.Nanoring aCatania Tali elettroni oscillano con una frequenza caratteristica:ProduzioneOsservazioni AFM 2 ne2Simulazioni ωp =Il metodo FDTD ε0 mRisultati ottenutiConclusioni esviluppi futuri Plasmoni di VolumeRingraziamenti + Polaritoni Plasmonici Superficiali Plasmoni Superficiali – Localizzati Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 3/15
  8. 8. Risonanze PlasmonicheIntroduzioneRisonanzePlasmoniche Modello a plasma di Drude: gli elettroni liberi di un metallo sono descritti collettivamente come una nube di particelle cheNanoring in oro si muove in opposizione agli ioni positivi del reticolo.Nanoring aCatania Tali elettroni oscillano con una frequenza caratteristica:ProduzioneOsservazioni AFM 2 ne2Simulazioni ωp =Il metodo FDTD ε0 mRisultati ottenutiConclusioni esviluppi futuri Plasmoni di VolumeRingraziamenti Polaritoni Plasmonici Superficiali Plasmoni Superficiali Localizzati Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 3/15
  9. 9. Nanoring in oro CaratteristicheIntroduzioneRisonanzePlasmonicheNanoring in oroNanoring aCataniaProduzioneOsservazioni AFMSimulazioniIl metodo FDTDRisultati ottenutiConclusioni esviluppi futuriRingraziamenti Dimensioni Diametro esterno: ∼ 70 ÷ 500nm Spessore: ∼ 10 ÷ 60nm Altezza: ∼ 20 ÷ 140nm Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 4/15
  10. 10. Nanoring in oro CaratteristicheIntroduzioneRisonanzePlasmonicheNanoring in oroNanoring aCataniaProduzioneOsservazioni AFMSimulazioniIl metodo FDTDRisultati ottenutiConclusioni esviluppi futuriRingraziamenti Dimensioni Diametro esterno: ∼ 70 ÷ 500nm Spessore: ∼ 10 ÷ 60nm Altezza: ∼ 20 ÷ 140nm Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 4/15
  11. 11. Nanoring in oro Risonanze nei nanoringIntroduzioneRisonanze L’interesse ai nanoring (NR) è giustificato perchè essiPlasmoniche presentano risonanze sia nella regione del visibile cheNanoring in oro nell’infrarosso.Nanoring aCataniaProduzioneOsservazioni AFMSimulazioniIl metodo FDTDRisultati ottenutiConclusioni esviluppi futuriRingraziamenti É possibile inoltre amplificare anche di 50 volte il campo elettromagnetico in prossimità del nanoring. Determinare le risonanze nei nanoring: Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 Misure sperimentali 5/15
  12. 12. Nanoring in oro Risonanze nei nanoringIntroduzioneRisonanze L’interesse ai nanoring (NR) è giustificato perchè essiPlasmoniche presentano risonanze sia nella regione del visibile cheNanoring in oro nell’infrarosso.Nanoring aCataniaProduzioneOsservazioni AFMSimulazioniIl metodo FDTDRisultati ottenutiConclusioni esviluppi futuriRingraziamenti É possibile inoltre amplificare anche di 50 volte il campo elettromagnetico in prossimità del nanoring. Determinare le risonanze nei nanoring: Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 Misure sperimentali 5/15
  13. 13. Nanoring in oro Risonanze nei nanoringIntroduzioneRisonanze L’interesse ai nanoring (NR) è giustificato perchè essiPlasmoniche presentano risonanze sia nella regione del visibile cheNanoring in oro nell’infrarosso.Nanoring aCataniaProduzioneOsservazioni AFMSimulazioniIl metodo FDTDRisultati ottenutiConclusioni esviluppi futuriRingraziamenti É possibile inoltre amplificare anche di 50 volte il campo elettromagnetico in prossimità del nanoring. Determinare le risonanze nei nanoring: Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 Misure sperimentali 5/15
  14. 14. Nanoring in oro Risonanze nei nanoringIntroduzioneRisonanzePlasmonicheNanoring in oroNanoring aCataniaProduzioneOsservazioni AFMSimulazioni Determinare le risonanze nei nanoring:Il metodo FDTDRisultati ottenuti Misure sperimentaliConclusioni e degli spettri di estinzione.sviluppi futuriRingraziamenti Simulazioni numeriche. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 5/15
  15. 15. Nanoring in oro Risonanze nei nanoringIntroduzioneRisonanzePlasmonicheNanoring in oroNanoring aCataniaProduzioneOsservazioni AFMSimulazioni Determinare le risonanze nei nanoring:Il metodo FDTDRisultati ottenuti Misure sperimentaliConclusioni e degli spettri di estinzione.sviluppi futuriRingraziamenti Simulazioni numeriche. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 5/15
  16. 16. Nanoring in oro Risonanze nei nanoringIntroduzioneRisonanzePlasmonicheNanoring in oroNanoring aCataniaProduzioneOsservazioni AFMSimulazioni Determinare le risonanze nei nanoring:Il metodo FDTDRisultati ottenuti Misure sperimentaliConclusioni e degli spettri di estinzione.sviluppi futuriRingraziamenti Simulazioni numeriche. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 5/15
  17. 17. Produzione self-assembly di NR a CataniaIntroduzioneRisonanze Ruffino F., et al. “Formation and evolution of self-organized Au nanorings onPlasmoniche indium-tin-oxide surface”. Applied Physics Letters, 98, 023101, 2011.Nanoring in oro Processo di sputteringNanoring aCatania Medio vuoto a 2 × 10−2 mbarProduzioneOsservazioni AFM Corrente ionica di 50mASimulazioniIl metodo FDTD Sotto tali condizioni si ottiene:Risultati ottenuti film di ∼ 20nm di AuConclusioni esviluppi futuri cluster di altezza ∼ 7nm e diametri ∼ 350nmRingraziamenti Processo di annealing termico Temperature di 300, 500 e 600◦ C Tempi di 20 ÷ 100min a step di 20min per volta Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 6/15
  18. 18. Produzione self-assembly di NR a CataniaIntroduzioneRisonanze Ruffino F., et al. “Formation and evolution of self-organized Au nanorings onPlasmoniche indium-tin-oxide surface”. Applied Physics Letters, 98, 023101, 2011.Nanoring in oro Processo di sputteringNanoring aCatania Medio vuoto a 2 × 10−2 mbarProduzioneOsservazioni AFM Corrente ionica di 50mASimulazioniIl metodo FDTD Sotto tali condizioni si ottiene:Risultati ottenuti film di ∼ 20nm di AuConclusioni esviluppi futuri cluster di altezza ∼ 7nm e diametri ∼ 350nmRingraziamenti Processo di annealing termico Temperature di 300, 500 e 600◦ C Tempi di 20 ÷ 100min a step di 20min per volta Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 6/15
  19. 19. Produzione self-assembly di NR a CataniaIntroduzioneRisonanze Ruffino F., et al. “Formation and evolution of self-organized Au nanorings onPlasmoniche indium-tin-oxide surface”. Applied Physics Letters, 98, 023101, 2011.Nanoring in oro Processo di sputteringNanoring a AuCatania Medio vuoto a 2 × 10−2 mbar nanoclusterProduzioneOsservazioni AFM Corrente ionica di 50mA 20 nm AuSimulazioniIl metodo FDTD Sotto tali condizioni si ottiene:Risultati ottenuti film di ∼ 20nm di Au 100 nm ITOConclusioni esviluppi futuri cluster di altezza ∼ 7nm e diametri ∼ 350nmRingraziamenti Processo di annealing termico Temperature di 300, 500 e 600◦ C Tempi di 20 ÷ 100min a step di 20min per volta Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 6/15
  20. 20. Produzione self-assembly di NR a CataniaIntroduzione Ruffino F., et al. “Formation and evolution of self-organized Au nanorings onRisonanze indium-tin-oxide surface”. Applied Physics Letters, 98, 023101, 2011.PlasmonicheNanoring in oro Processo di sputtering AuNanoring a Medio vuoto a 2 × 10−2 mbar nanoclusterCataniaProduzione Corrente ionica di 50mAOsservazioni AFM 20 nm AuSimulazioni Sotto tali condizioni si ottiene:Il metodo FDTDRisultati ottenuti film di ∼ 20nm di Au 100 nm ITOConclusioni e cluster di altezza ∼ 7nm esviluppi futuri diametri ∼ 350nmRingraziamenti Processo di annealing termico Temperature di 300, 500 e Au 600◦ C ITO Tempi di 20 ÷ 100min a step di 20min per volta Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 6/15
  21. 21. Produzione self-assembly di NR a CataniaIntroduzione Ruffino F., et al. “Formation and evolution of self-organized Au nanorings onRisonanze indium-tin-oxide surface”. Applied Physics Letters, 98, 023101, 2011.PlasmonicheNanoring in oro Processo di sputtering AuNanoring a Medio vuoto a 2 × 10−2 mbar nanoclusterCataniaProduzione Corrente ionica di 50mAOsservazioni AFM 20 nm AuSimulazioni Sotto tali condizioni si ottiene:Il metodo FDTDRisultati ottenuti film di ∼ 20nm di Au 100 nm ITOConclusioni e cluster di altezza ∼ 7nm esviluppi futuri diametri ∼ 350nmRingraziamenti Processo di annealing termico Temperature di 300, 500 e 600◦ C s Tempi di 20 ÷ 100min a step di h 20min per volta D d Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 6/15
  22. 22. Osservazioni con microscopio a forzaIntroduzione atomicaRisonanzePlasmonicheNanoring in oroNanoring aCatania 10 μmProduzione Zmax= 43.3 nmOsservazioni AFMSimulazioniIl metodo FDTDRisultati ottenutiConclusioni esviluppi futuri 0 μm 0 μm 10 μmRingraziamenti Sputtering: Film di Au + cluster Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 7/15
  23. 23. Osservazioni con microscopio a forzaIntroduzione atomicaRisonanzePlasmonicheNanoring in oroNanoring aCatania 10 μm 15 μm Zmax= 43.3 nm Zmax= 170 nmProduzioneOsservazioni AFMSimulazioniIl metodo FDTDRisultati ottenutiConclusioni esviluppi futuri 0 μm 0 μm 10 μm 0 μm 0 μm 15 μmRingraziamenti 100min di annealing a 500◦ C : Sputtering: Fasi intermedie di formazione Film di Au + cluster dei ring Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 7/15
  24. 24. Osservazioni con microscopio a forzaIntroduzione atomicaRisonanzePlasmonicheNanoring in oroNanoring aCatania 10 μm 15 μm 15 μm Zmax= 118 nm Zmax= 43.3 nm Zmax= 170 nmProduzioneOsservazioni AFMSimulazioniIl metodo FDTDRisultati ottenutiConclusioni esviluppi futuri 0 μm 0 μm 10 μm 0 μm 0 μm 15 μm 0 μm 0 μm 15 μmRingraziamenti 100min di annealing a 500 C :◦ 60min di annealing a 600◦ C : Sputtering: Fasi intermedie di formazione Qualche ring si è già formato - Film di Au + cluster dei ring processo statistico Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 7/15
  25. 25. Osservazioni con microscopio a forzaIntroduzione atomicaRisonanzePlasmoniche 10 μm 15 μm 15 μm Zmax= 118 nm Zmax= 43.3 nm Zmax= 170 nmNanoring in oroNanoring aCataniaProduzioneOsservazioni AFMSimulazioni 0 μm 0 μm 0 μm 0 μm 10 μm 0 μm 15 μm 0 μm 15 μmIl metodo FDTDRisultati ottenuti 100min di annealing a 500◦ C : 60min di annealing a 600◦ C : Sputtering: Fasi intermedie di formazione Qualche ring si è già formato -Conclusioni e Film di Au + clustersviluppi futuri dei ring processo statisticoRingraziamenti Evoluzione 20 nm 70 nm 35 nm 50 nm 0 nm 0 nm 0 nm 0 nm 1.5 μm 2.5 μm 1.5 μm 1 μm 1.5 μm 2.5 μm 1.5 μm 1 μm 0 μm 0 μm 0 μm 0 μm 0 μm 0 μm 0 μm 0 μm Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 7/15
  26. 26. Osservazioni AFM Analisi di lineaIntroduzioneRisonanzePlasmoniche s = 26.2 nmNanoring in oro D = 574 nmNanoring aCatania h = 7.9 nmProduzione d = 303 nmOsservazioni AFMSimulazioniIl metodo FDTD s = 19.4 nm < s >∼ 15 ÷ 25nmRisultati ottenuti D = 561 nm < h >∼ 7 ÷ 9nmConclusioni esviluppi futuri < D >∼ 550 ÷ 600nmRingraziamenti d = 305 nm h = 9.3 nm < d >∼ 300 ÷ 350nm Spessore D−d 2 ∼ 100 ÷ 150nm s = 16.5 nm D = 651 nm h = 7.0 nm d = 363 nm Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 8/15
  27. 27. Simulazioni NumericheIntroduzioneRisonanzePlasmonicheNanoring in oroNanoring aCatania Risulta difficile studiare analiticamente le proprietàProduzione plasmoniche di strutture con geometria complessa, comeOsservazioni AFMSimulazioni i nanoring.Il metodo FDTDRisultati ottenuti Determinare le risonanze nei nanoring:Conclusioni esviluppi futuri Misure sperimentaliRingraziamenti degli spettri di estinzione. Simulazioni numeriche. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 9/15
  28. 28. Simulazioni NumericheIntroduzioneRisonanzePlasmonicheNanoring in oroNanoring aCatania Risulta difficile studiare analiticamente le proprietàProduzione plasmoniche di strutture con geometria complessa, comeOsservazioni AFMSimulazioni i nanoring.Il metodo FDTDRisultati ottenuti Determinare le risonanze nei nanoring:Conclusioni esviluppi futuri Misure sperimentaliRingraziamenti degli spettri di estinzione. Simulazioni numeriche. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 9/15
  29. 29. Simulazioni NumericheIntroduzioneRisonanzePlasmonicheNanoring in oroNanoring aCatania Risulta difficile studiare analiticamente le proprietàProduzione plasmoniche di strutture con geometria complessa, comeOsservazioni AFMSimulazioni i nanoring.Il metodo FDTDRisultati ottenuti Determinare le risonanze nei nanoring:Conclusioni esviluppi futuri Misure sperimentaliRingraziamenti degli spettri di estinzione. Simulazioni numeriche. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 9/15
  30. 30. Finite-Difference Time-Domain MethodIntroduzioneRisonanzePlasmonicheNanoring in oroNanoring a Risolve le equazioni di Maxwell per mezzo di unCataniaProduzione campionamento spaziale e temporale delle componentiOsservazioni AFM del campo elettrico e del campo magnetico.SimulazioniIl metodo FDTDRisultati ottenutiConclusioni esviluppi futuriRingraziamenti Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 10/15
  31. 31. Finite-Difference Time-Domain MethodIntroduzioneRisonanzePlasmonicheNanoring in oro Risolve le equazioni di Maxwell per mezzo di unNanoring aCatania campionamento spaziale e temporale delle componentiProduzioneOsservazioni AFM del campo elettrico e del campo magnetico.SimulazioniIl metodo FDTDRisultati ottenutiConclusioni esviluppi futuriRingraziamenti Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 10/15
  32. 32. Finite-Difference Time-Domain MethodIntroduzioneRisonanzePlasmonicheNanoring in oro Risolve le equazioni di Maxwell per mezzo di unNanoring aCatania campionamento spaziale e temporale delle componentiProduzioneOsservazioni AFM del campo elettrico e del campo magnetico.SimulazioniIl metodo FDTD H H HRisultati ottenuti • • • t = 1.5 ΔtConclusioni e E E E Esviluppi futuri t = ΔtRingraziamenti H H H • • • t = 0.5 Δt E E E E t=0 x=0 x = Δx x = 2 Δx x = 3 Δx Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 10/15
  33. 33. FDTD e implementazione in MeepIntroduzioneRisonanze Per effettuare le simulazioni, si è utilizzato il software liberoPlasmoniche Meep (MIT Electromagnetic Equation Propagation), sviluppatoNanoring in oro al MIT da S. G. Johnson, et al., nel gruppo di ricerca del prof.Nanoring a J. D. Joannopoulos e distribuito gratuitamente con licenzaCataniaProduzione GNU GPL.Osservazioni AFMSimulazioni ImplementazioneIl metodo FDTDRisultati ottenutiConclusioni esviluppi futuriRingraziamenti Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 11/15
  34. 34. FDTD e implementazione in MeepIntroduzioneRisonanze Per effettuare le simulazioni, si è utilizzato il software liberoPlasmoniche Meep (MIT Electromagnetic Equation Propagation), sviluppatoNanoring in oro al MIT da S. G. Johnson, et al., nel gruppo di ricerca del prof.Nanoring a J. D. Joannopoulos e distribuito gratuitamente con licenzaCataniaProduzione GNU GPL.Osservazioni AFMSimulazioni ImplementazioneIl metodo FDTDRisultati ottenuti Sorgente: (t−t0 )2Conclusioni esviluppi futuri impulso gaussiano ∝ e−iωt− 2w 2 , composto da onde conRingraziamenti lunghezze d’onda comprese tra ∼ 750nm e ∼ 1400nm. Condizioni al contorno: la cella computazionale è stata “rivestita” di un materiale capace di assorbire perfettamente la radiazione incidente, denominato Perfectly Matched Layer. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 11/15
  35. 35. FDTD e implementazione in MeepIntroduzioneRisonanze Per effettuare le simulazioni, si è utilizzato il software liberoPlasmoniche Meep (MIT Electromagnetic Equation Propagation), sviluppatoNanoring in oro al MIT da S. G. Johnson, et al., nel gruppo di ricerca del prof.Nanoring a J. D. Joannopoulos e distribuito gratuitamente con licenzaCataniaProduzione GNU GPL.Osservazioni AFMSimulazioni ImplementazioneIl metodo FDTDRisultati ottenuti Sorgente: (t−t0 )2Conclusioni esviluppi futuri impulso gaussiano ∝ e−iωt− 2w 2 , composto da onde conRingraziamenti lunghezze d’onda comprese tra ∼ 750nm e ∼ 1400nm. Condizioni al contorno: la cella computazionale è stata “rivestita” di un materiale capace di assorbire perfettamente la radiazione incidente, denominato Perfectly Matched Layer. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 11/15
  36. 36. FDTD e implementazione in MeepIntroduzioneRisonanze Per effettuare le simulazioni, si è utilizzato il software liberoPlasmoniche Meep (MIT Electromagnetic Equation Propagation), sviluppatoNanoring in oro al MIT da S. G. Johnson, et al., nel gruppo di ricerca del prof.Nanoring a J. D. Joannopoulos e distribuito gratuitamente con licenzaCataniaProduzione GNU GPL.Osservazioni AFMSimulazioni ImplementazioneIl metodo FDTDRisultati ottenuti Materiali:Conclusioni esviluppi futuri ITO - Costante dielettrica εITO = 3.8Ringraziamenti Au - Implementazione “bulk”, con costante dielettrica εAu−bulk = 6.9 Implementazione plasmonica, con funzione dielettrica data da un modello di Drude esteso, contenente dei termini che prendono il nome di “oscillatori di Lorentz” e servono a descrivere in modo più efficace l’oro. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 11/15
  37. 37. FDTD e implementazione in MeepIntroduzioneRisonanze Per effettuare le simulazioni, si è utilizzato il software liberoPlasmoniche Meep (MIT Electromagnetic Equation Propagation), sviluppatoNanoring in oro al MIT da S. G. Johnson, et al., nel gruppo di ricerca del prof.Nanoring a J. D. Joannopoulos e distribuito gratuitamente con licenzaCataniaProduzione GNU GPL.Osservazioni AFMSimulazioni ImplementazioneIl metodo FDTDRisultati ottenuti Materiali:Conclusioni esviluppi futuri ITO - Costante dielettrica εITO = 3.8Ringraziamenti Au - Implementazione “bulk”, con costante dielettrica εAu−bulk = 6.9 Implementazione plasmonica, con funzione dielettrica data da un modello di Drude esteso, contenente dei termini che prendono il nome di “oscillatori di Lorentz” e servono a descrivere in modo più efficace l’oro. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 11/15
  38. 38. FDTD e implementazione in MeepIntroduzioneRisonanze Per effettuare le simulazioni, si è utilizzato il software liberoPlasmoniche Meep (MIT Electromagnetic Equation Propagation), sviluppatoNanoring in oro al MIT da S. G. Johnson, et al., nel gruppo di ricerca del prof.Nanoring a J. D. Joannopoulos e distribuito gratuitamente con licenzaCataniaProduzione GNU GPL.Osservazioni AFMSimulazioni ImplementazioneIl metodo FDTDRisultati ottenuti Materiali:Conclusioni esviluppi futuri ITO - Costante dielettrica εITO = 3.8Ringraziamenti Au - Implementazione “bulk”, con costante dielettrica εAu−bulk = 6.9 Implementazione plasmonica, con funzione dielettrica data da un modello di Drude esteso, contenente dei termini che prendono il nome di “oscillatori di Lorentz” e servono a descrivere in modo più efficace l’oro. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 11/15
  39. 39. FDTD e implementazione in MeepIntroduzioneRisonanzePlasmoniche ImplementazioneNanoring in oro Geometria:Nanoring aCatania Semiellissoide con fenditura di forma ellissoidale.Produzione Dimensioni utilizzate:Osservazioni AFM Diametro esterno ∼ D = 590nm;Simulazioni Diametro interno ∼ d = 320nm;Il metodo FDTDRisultati ottenuti Altezza ∼ s = 20nm; Profondità ∼ h = 8nm;Conclusioni esviluppi futuri Altezza strato di oro ∼ 26nm;Ringraziamenti Cella computazionale di lato pari a 1000nm con PML di 150nm. Risoluzione: 1 pixel = 0.16nm. s h Au D ITO d Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 11/15
  40. 40. FDTD e implementazione in MeepIntroduzioneRisonanzePlasmoniche ImplementazioneNanoring in oro Geometria:Nanoring aCatania Semiellissoide con fenditura di forma ellissoidale.Produzione Dimensioni utilizzate:Osservazioni AFM Diametro esterno ∼ D = 590nm;Simulazioni Diametro interno ∼ d = 320nm;Il metodo FDTDRisultati ottenuti Altezza ∼ s = 20nm; Profondità ∼ h = 8nm;Conclusioni esviluppi futuri Altezza strato di oro ∼ 26nm;Ringraziamenti Cella computazionale di lato pari a 1000nm con PML di 150nm. Risoluzione: 1 pixel = 0.16nm. s h Au D ITO d Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 11/15
  41. 41. FDTD e implementazione in MeepIntroduzioneRisonanzePlasmoniche ImplementazioneNanoring in oro Geometria:Nanoring aCatania Semiellissoide con fenditura di forma ellissoidale.Produzione Dimensioni utilizzate:Osservazioni AFM Diametro esterno ∼ D = 590nm;Simulazioni Diametro interno ∼ d = 320nm;Il metodo FDTDRisultati ottenuti Altezza ∼ s = 20nm; Profondità ∼ h = 8nm;Conclusioni esviluppi futuri Altezza strato di oro ∼ 26nm;Ringraziamenti Cella computazionale di lato pari a 1000nm con PML di 150nm. Risoluzione: 1 pixel = 0.16nm. s h Au D ITO d Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 11/15
  42. 42. FDTD e implementazione in MeepIntroduzioneRisonanzePlasmoniche ImplementazioneNanoring in oro Geometria:Nanoring aCatania Semiellissoide con fenditura di forma ellissoidale.Produzione Dimensioni utilizzate:Osservazioni AFM Diametro esterno ∼ D = 590nm;Simulazioni Diametro interno ∼ d = 320nm;Il metodo FDTDRisultati ottenuti Altezza ∼ s = 20nm; Profondità ∼ h = 8nm;Conclusioni esviluppi futuri Altezza strato di oro ∼ 26nm;Ringraziamenti Cella computazionale di lato pari a 1000nm con PML di 150nm. Risoluzione: 1 pixel = 0.16nm. s h Au D ITO d Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 11/15
  43. 43. Risultati ottenuti Implementazione “bulk”IntroduzioneRisonanzePlasmonicheNanoring in oro Sezione del piano yz a x = 0, istanti diversi:Nanoring aCataniaProduzioneOsservazioni AFMSimulazioniIl metodo FDTDRisultati ottenutiConclusioni esviluppi futuriRingraziamenti Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 12/15
  44. 44. Risultati ottenuti Implementazione plasmonicaIntroduzioneRisonanzePlasmonicheNanoring in oro Sezione del piano yz a x = 0, istanti diversi:Nanoring aCataniaProduzioneOsservazioni AFMSimulazioniIl metodo FDTDRisultati ottenutiConclusioni esviluppi futuriRingraziamenti Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 13/15
  45. 45. Risultati ottenuti Implementazione plasmonicaIntroduzioneRisonanzePlasmonicheNanoring in oro Sezione del piano xy a z = 0, istanti diversi:Nanoring aCataniaProduzioneOsservazioni AFMSimulazioniIl metodo FDTDRisultati ottenutiConclusioni esviluppi futuriRingraziamenti Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 13/15
  46. 46. Risultati ottenuti Implementazione plasmonicaIntroduzioneRisonanzePlasmonicheNanoring in oro Sezioni del piano xy a z = 12.5nm e z = −6.25nm:Nanoring aCataniaProduzioneOsservazioni AFMSimulazioniIl metodo FDTDRisultati ottenutiConclusioni esviluppi futuriRingraziamenti Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 13/15
  47. 47. Conclusioni e sviluppi futuriIntroduzioneRisonanze Si è dimostrata la presenza di risonanze nei nanoring prodotti.Plasmoniche Questa caratteristica, unitamente al fatto che essi sono statiNanoring in oro prodotti con una tecnica a basso costo e industrializzabile, liNanoring aCatania rende interessante oggetto di studi futuri.ProduzioneOsservazioni AFM É sicuramente necessaria una analisi quantitativa dei risultatiSimulazioni presentati, da ottenere attraverso:Il metodo FDTDRisultati ottenutiConclusioni e 1 Simulazione degli spettri di estinzione, per determinaresviluppi futuri a quali lunghezze d’onda avvengano le risonanze.Ringraziamenti 2 Calcolo dell’amplificazione del campo prossimo alla superficie del ring in corrispondenza di tali lunghezze d’onda. 3 Valutazioni a diversi angoli di incidenza della radiazione elettromagnetica sul campione. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 14/15
  48. 48. Conclusioni e sviluppi futuriIntroduzioneRisonanze Si è dimostrata la presenza di risonanze nei nanoring prodotti.Plasmoniche Questa caratteristica, unitamente al fatto che essi sono statiNanoring in oro prodotti con una tecnica a basso costo e industrializzabile, liNanoring aCatania rende interessante oggetto di studi futuri.ProduzioneOsservazioni AFM É sicuramente necessaria una analisi quantitativa dei risultatiSimulazioni presentati, da ottenere attraverso:Il metodo FDTDRisultati ottenutiConclusioni e 1 Simulazione degli spettri di estinzione, per determinaresviluppi futuri a quali lunghezze d’onda avvengano le risonanze.Ringraziamenti 2 Calcolo dell’amplificazione del campo prossimo alla superficie del ring in corrispondenza di tali lunghezze d’onda. 3 Valutazioni a diversi angoli di incidenza della radiazione elettromagnetica sul campione. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 14/15
  49. 49. Conclusioni e sviluppi futuriIntroduzioneRisonanze Si è dimostrata la presenza di risonanze nei nanoring prodotti.Plasmoniche Questa caratteristica, unitamente al fatto che essi sono statiNanoring in oro prodotti con una tecnica a basso costo e industrializzabile, liNanoring aCatania rende interessante oggetto di studi futuri.ProduzioneOsservazioni AFM É sicuramente necessaria una analisi quantitativa dei risultatiSimulazioni presentati, da ottenere attraverso:Il metodo FDTDRisultati ottenutiConclusioni e 1 Simulazione degli spettri di estinzione, per determinaresviluppi futuri a quali lunghezze d’onda avvengano le risonanze.Ringraziamenti 2 Calcolo dell’amplificazione del campo prossimo alla superficie del ring in corrispondenza di tali lunghezze d’onda. 3 Valutazioni a diversi angoli di incidenza della radiazione elettromagnetica sul campione. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 14/15
  50. 50. Conclusioni e sviluppi futuriIntroduzioneRisonanze Si è dimostrata la presenza di risonanze nei nanoring prodotti.Plasmoniche Questa caratteristica, unitamente al fatto che essi sono statiNanoring in oro prodotti con una tecnica a basso costo e industrializzabile, liNanoring aCatania rende interessante oggetto di studi futuri.ProduzioneOsservazioni AFM É sicuramente necessaria una analisi quantitativa dei risultatiSimulazioni presentati, da ottenere attraverso:Il metodo FDTDRisultati ottenutiConclusioni e 1 Simulazione degli spettri di estinzione, per determinaresviluppi futuri a quali lunghezze d’onda avvengano le risonanze.Ringraziamenti 2 Calcolo dell’amplificazione del campo prossimo alla superficie del ring in corrispondenza di tali lunghezze d’onda. 3 Valutazioni a diversi angoli di incidenza della radiazione elettromagnetica sul campione. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 14/15
  51. 51. RingraziamentiIntroduzioneRisonanzePlasmonicheNanoring in oroNanoring aCataniaProduzioneOsservazioni AFMSimulazioniIl metodo FDTDRisultati ottenuti Grazie per l’attenzione!Conclusioni esviluppi futuriRingraziamenti Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011 15/15
  52. 52. RisonanzePlasmoniche SPP LSPNanoring in oro Produzione Estinzione Risonanze ApplicazioniNanoring a CataniaProduzione ApprofondimentiOsservazioni AFMSimulazioniIl metodo FDTD Algoritmo di Yee Implementazione Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011
  53. 53. Risonanze PlasmonicheRisonanzePlasmoniche SPP LSP La forma più generale della permittività elettrica ε di un materiale è funzione della frequenza angolare ω della radiazione elettromagnetica incidente. TaleNanoring in oro Produzione funzione è una funzione a valori complessi ε(ω) = ε1 (ω) + iε2 (ω) che può Estinzione esprimersi come: Risonanze Applicazioni iσ(ω)Nanoring a Catania ε(ω) = 1 + (1)Produzione ε0 ωOsservazioni AFM con σ(ω) conduttività del materiale.SimulazioniIl metodo FDTD Per i metalli descritti per mezzo del modello di Drude, avendo definito una Algoritmo di Yee 2 ne2 Implementazione frequenza di risonanza ωp = , tale funzione può scriversi come ε0 m ωp2 ε(ω) = 1 − 2 (2) ω + iγω Nel caso specifico di metalli nobili, si dimostra che si può riscrivere la formula in funzione di un certo valore costante 1 ≤ ε∞ ≤ 10, che serve a tener conto di una polarizzazione residua dovuta agli ioni positivi del reticolo cristallino, 2 ωp pertanto la (2) diventa ε(ω) = ε∞ − 2 . ω + iγω Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011
  54. 54. Risonanze PlasmonicheRisonanzePlasmoniche SPP LSP La forma più generale della permittività elettrica ε di un materiale è funzione della frequenza angolare ω della radiazione elettromagnetica incidente. TaleNanoring in oro Produzione funzione è una funzione a valori complessi ε(ω) = ε1 (ω) + iε2 (ω) che può Estinzione esprimersi come: Risonanze Applicazioni iσ(ω)Nanoring a Catania ε(ω) = 1 + (1)Produzione ε0 ωOsservazioni AFM con σ(ω) conduttività del materiale.SimulazioniIl metodo FDTD Per i metalli descritti per mezzo del modello di Drude, avendo definito una Algoritmo di Yee 2 ne2 Implementazione frequenza di risonanza ωp = , tale funzione può scriversi come ε0 m ωp2 ε(ω) = 1 − 2 (2) ω + iγω Nel caso specifico di metalli nobili, si dimostra che si può riscrivere la formula in funzione di un certo valore costante 1 ≤ ε∞ ≤ 10, che serve a tener conto di una polarizzazione residua dovuta agli ioni positivi del reticolo cristallino, 2 ωp pertanto la (2) diventa ε(ω) = ε∞ − 2 . ω + iγω Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011
  55. 55. Risonanze PlasmonicheRisonanzePlasmoniche SPP LSP La forma più generale della permittività elettrica ε di un materiale è funzione della frequenza angolare ω della radiazione elettromagnetica incidente. TaleNanoring in oro Produzione funzione è una funzione a valori complessi ε(ω) = ε1 (ω) + iε2 (ω) che può Estinzione esprimersi come: Risonanze Applicazioni iσ(ω)Nanoring a Catania ε(ω) = 1 + (1)Produzione ε0 ωOsservazioni AFM con σ(ω) conduttività del materiale.SimulazioniIl metodo FDTD Per i metalli descritti per mezzo del modello di Drude, avendo definito una Algoritmo di Yee 2 ne2 Implementazione frequenza di risonanza ωp = , tale funzione può scriversi come ε0 m ωp2 ε(ω) = 1 − 2 (2) ω + iγω Nel caso specifico di metalli nobili, si dimostra che si può riscrivere la formula in funzione di un certo valore costante 1 ≤ ε∞ ≤ 10, che serve a tener conto di una polarizzazione residua dovuta agli ioni positivi del reticolo cristallino, 2 ωp pertanto la (2) diventa ε(ω) = ε∞ − 2 . ω + iγω Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011
  56. 56. Risonanze Plasmoniche Polaritoni Plasmonici di SuperficieRisonanzePlasmoniche SPP LSPNanoring in oro Produzione Estinzione I polaritoni plasmonici di superficie (SPP) sono eccitazioni elettromagnetiche Risonanze che si propagano lungo l’interfaccia tra un dielettrico e un conduttore, confinati Applicazioni invece in direzione perpendicolare. Queste onde elettromagnetiche diNanoring a CataniaProduzione superficie sorgono dall’accoppiamento del campo elettrico con le oscillazioniOsservazioni AFM del plasma elettronico del conduttore.Simulazioni Risolvendo le equzioni di Maxwell per un sistema a singola interfacciaIl metodo FDTD dielettrico-metallo, si ottiene la seguente relazione di dispersione: Algoritmo di Yee Implementazione εm εd β = k0 (3) εm + εd Dove β è la costante di propagazione del SPP, k0 rappresenta il vettore d’onda della luce nel vuoto e m ed d sono rispettivamente le costanti dielettriche (siano esse reali o complesse) rispettivamente del metallo e del dielettrico. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011
  57. 57. Risonanze Plasmoniche Polaritoni Plasmonici di SuperficieRisonanzePlasmoniche SPP LSPNanoring in oro Produzione Estinzione I polaritoni plasmonici di superficie (SPP) sono eccitazioni elettromagnetiche Risonanze che si propagano lungo l’interfaccia tra un dielettrico e un conduttore, confinati Applicazioni invece in direzione perpendicolare. Queste onde elettromagnetiche diNanoring a CataniaProduzione superficie sorgono dall’accoppiamento del campo elettrico con le oscillazioniOsservazioni AFM del plasma elettronico del conduttore.Simulazioni Risolvendo le equzioni di Maxwell per un sistema a singola interfacciaIl metodo FDTD dielettrico-metallo, si ottiene la seguente relazione di dispersione: Algoritmo di Yee Implementazione εm εd β = k0 (3) εm + εd Dove β è la costante di propagazione del SPP, k0 rappresenta il vettore d’onda della luce nel vuoto e m ed d sono rispettivamente le costanti dielettriche (siano esse reali o complesse) rispettivamente del metallo e del dielettrico. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011
  58. 58. Risonanze Plasmoniche Plasmoni superficiali localizzatiRisonanzePlasmoniche SPP LSP I plasmoni superficiali localizzati (LSP) sono eccitazioni degli elettroni diNanoring in oro Produzione conduzione in nanostrutture metalliche accoppiate al campo elettromagnetico. Estinzione Risonanze Un fenomeno di questo tipo si osserva non appena si è in presenza di un Applicazioni sistema composto da particelle conduttive nanometriche sottoposte a campiNanoring a CataniaProduzione elettromagnetici di lunghezze d’onda maggiori delle dimensioni stesse delleOsservazioni AFM particelle. E’ di fondamentale importanza la geometria stessa dellaSimulazioni nanostruttura in questione, infatti le curvature della superficie della strutturaIl metodo FDTD determinano delle forze di richiamo per gli elettroni liberi, dando luogo a Algoritmo di Yee Implementazione fenomeni di risonanza, come l’amplificazione del campo elettromagnetico stesso all’interno e in prossimità della superficie della nanostruttura. Per lo studio di queste risonanze si usa spesso l’approssimazione di quasi-staticità, per cui si assume che, per lunghezze d’onda molto maggiori delle dimensioni della particella in esame, il campo elettromagnetico oscillante sia praticamente costante nella regione prossima alla particella, così da poter risolvere il problema semplificato di una particella in un campo elettrostatico. La dipendenza armonica del campo può essere aggiunta in un secondo momento. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011
  59. 59. Risonanze Plasmoniche Plasmoni superficiali localizzatiRisonanzePlasmoniche SPP LSP I plasmoni superficiali localizzati (LSP) sono eccitazioni degli elettroni diNanoring in oro Produzione conduzione in nanostrutture metalliche accoppiate al campo elettromagnetico. Estinzione Risonanze Un fenomeno di questo tipo si osserva non appena si è in presenza di un Applicazioni sistema composto da particelle conduttive nanometriche sottoposte a campiNanoring a CataniaProduzione elettromagnetici di lunghezze d’onda maggiori delle dimensioni stesse delleOsservazioni AFM particelle. E’ di fondamentale importanza la geometria stessa dellaSimulazioni nanostruttura in questione, infatti le curvature della superficie della strutturaIl metodo FDTD determinano delle forze di richiamo per gli elettroni liberi, dando luogo a Algoritmo di Yee Implementazione fenomeni di risonanza, come l’amplificazione del campo elettromagnetico stesso all’interno e in prossimità della superficie della nanostruttura. Per lo studio di queste risonanze si usa spesso l’approssimazione di quasi-staticità, per cui si assume che, per lunghezze d’onda molto maggiori delle dimensioni della particella in esame, il campo elettromagnetico oscillante sia praticamente costante nella regione prossima alla particella, così da poter risolvere il problema semplificato di una particella in un campo elettrostatico. La dipendenza armonica del campo può essere aggiunta in un secondo momento. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011
  60. 60. Risonanze Plasmoniche Plasmoni superficiali localizzatiRisonanzePlasmoniche SPP LSP I plasmoni superficiali localizzati (LSP) sono eccitazioni degli elettroni diNanoring in oro Produzione conduzione in nanostrutture metalliche accoppiate al campo elettromagnetico. Estinzione Risonanze Un fenomeno di questo tipo si osserva non appena si è in presenza di un Applicazioni sistema composto da particelle conduttive nanometriche sottoposte a campiNanoring a CataniaProduzione elettromagnetici di lunghezze d’onda maggiori delle dimensioni stesse delleOsservazioni AFM particelle. E’ di fondamentale importanza la geometria stessa dellaSimulazioni nanostruttura in questione, infatti le curvature della superficie della strutturaIl metodo FDTD determinano delle forze di richiamo per gli elettroni liberi, dando luogo a Algoritmo di Yee Implementazione fenomeni di risonanza, come l’amplificazione del campo elettromagnetico stesso all’interno e in prossimità della superficie della nanostruttura. Per lo studio di queste risonanze si usa spesso l’approssimazione di quasi-staticità, per cui si assume che, per lunghezze d’onda molto maggiori delle dimensioni della particella in esame, il campo elettromagnetico oscillante sia praticamente costante nella regione prossima alla particella, così da poter risolvere il problema semplificato di una particella in un campo elettrostatico. La dipendenza armonica del campo può essere aggiunta in un secondo momento. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011
  61. 61. Nanoring in oro Tecniche di produzione più utilizzateRisonanzePlasmoniche SPP LSP Litografia colloidale: dei colloidi di polistirene vengono depositati su unNanoring in oro substrato e poi ricoperti da un sottile strato di oro, quindi si erode l’oro per Produzione mezzo di un fascio ionico (per lo più ioni Ar) e durante l’erosione delle Estinzione Risonanze particelle di oro vengono a depositarsi negli interstizi tra i colloidi sferici di Applicazioni polistirene e il substrato, il tutto subisce infine un attacco chimico e unNanoring a Catania risciacquo per eliminare il polistirene ed eventuali residui.ProduzioneOsservazioni AFMSimulazioniIl metodo FDTD Algoritmo di Yee Implementazione Litografia con fascio elettronico: vengono create attraverso il fascio delle maschere con il negativo dei NR da creare, dell’oro viene evaporato sulla maschera e il tutto viene sottoposto ad attacco chimico per la rimozione della maschera stessa, lasciando sul substrato i ring in oro. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011
  62. 62. Nanoring in oro Tecniche di produzione più utilizzateRisonanzePlasmoniche SPP LSP Litografia colloidale: dei colloidi di polistirene vengono depositati su unNanoring in oro substrato e poi ricoperti da un sottile strato di oro, quindi si erode l’oro per Produzione mezzo di un fascio ionico (per lo più ioni Ar) e durante l’erosione delle Estinzione Risonanze particelle di oro vengono a depositarsi negli interstizi tra i colloidi sferici di Applicazioni polistirene e il substrato, il tutto subisce infine un attacco chimico e unNanoring a Catania risciacquo per eliminare il polistirene ed eventuali residui.ProduzioneOsservazioni AFMSimulazioniIl metodo FDTD Algoritmo di Yee Implementazione Litografia con fascio elettronico: vengono create attraverso il fascio delle maschere con il negativo dei NR da creare, dell’oro viene evaporato sulla maschera e il tutto viene sottoposto ad attacco chimico per la rimozione della maschera stessa, lasciando sul substrato i ring in oro. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011
  63. 63. Nanoring in oro Extinction Cross-SectionRisonanzePlasmoniche SPP LSPNanoring in oro Produzione Il fenomeno di risonanza si quantifica dallo studio del coefficiente di estinzione Estinzione Risonanze o analogamente dalla sezione d’urto di estinzione. Tale grandezza, che si Applicazioni compone di due contribuiti, il primo dovuto all’assorbimento e il secondoNanoring a Catania dovuto allo scattering del campo elettromagnetico sulla particella, può essereProduzione interpretato come un parametro quantificativo dell’interazione a diverseOsservazioni AFM lunghezze d’onda.SimulazioniIl metodo FDTD Algoritmo di Yee Implementazione Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011
  64. 64. Nanoring in oro Risonanze in un nanoring in oroRisonanzePlasmoniche Si applica il modello che descrive le LSP-Resonances per i modi di slab SPP metalliche, che si dividono in modi simmetrici e antisimmetrici. La relazione di LSP dispersione, nel limite di lunghezza d’onda molto maggiore delle dimensioniNanoring in oro del ring, risulta essere: Produzione Estinzione 2 2 1 ± e−kw Risonanze ω± = ωp (4) Applicazioni (εm + εd ) ± e−dw (εm − εd )Nanoring a CataniaProduzione Con ω± frequenza dei modi simmetrico (−) e antisimmetrico (+), w spessoreOsservazioni AFM del ring e k vettore d’onda.SimulazioniIl metodo FDTD Algoritmo di Yee Implementazione I modi simmetrici corrispondono ad una distribuzione di carica con lo stesso segno sia nella parete interna che in quella esterna del ring; quelli antisimmetrici si riferiscono a oscillazioni di cariche di segno opposto tra le pareti interne ed esterne. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011
  65. 65. Nanoring in oro Risonanze in un nanoring in oroRisonanzePlasmoniche Si applica il modello che descrive le LSP-Resonances per i modi di slab SPP metalliche, che si dividono in modi simmetrici e antisimmetrici. La relazione di LSP dispersione, nel limite di lunghezza d’onda molto maggiore delle dimensioniNanoring in oro del ring, risulta essere: Produzione Estinzione 2 2 1 ± e−kw Risonanze ω± = ωp (4) Applicazioni (εm + εd ) ± e−dw (εm − εd )Nanoring a CataniaProduzione Con ω± frequenza dei modi simmetrico (−) e antisimmetrico (+), w spessoreOsservazioni AFM del ring e k vettore d’onda.SimulazioniIl metodo FDTD Algoritmo di Yee Implementazione I modi simmetrici corrispondono ad una distribuzione di carica con lo stesso segno sia nella parete interna che in quella esterna del ring; quelli antisimmetrici si riferiscono a oscillazioni di cariche di segno opposto tra le pareti interne ed esterne. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011
  66. 66. Nanoring in oro Risonanze in un nanoring in oroRisonanzePlasmoniche SPP L’analisi degli spettri di estinzione mostrano le seguenti dipendenze per i picchi LSP di risonanza:Nanoring in oro Produzione Rapporto tra lo spessore ed il raggio esterno del ring. Estinzione Si nota un grande redshift al diminuire di questo rapporto, i.e. riducendo tale rapporto da un valore Risonanze Applicazioni di 0.22 ad uno di 0.16 per un ring di raggio esterno di 60nm si ottiene uno shift nel picco di risonanza di circa 400nm, da circa 1000nm a circa 1400nm.Nanoring a CataniaProduzione Dielettrico in cui i ring sono immersi.Osservazioni AFM Redshift all’aumentare dell’indice di rifrazione.SimulazioniIl metodo FDTD Raggio esterno del ring. Algoritmo di Yee Redshift molto più piccoli all’aumentare del raggio esterno, i.e. si va incontro a spostamenti di circa Implementazione 300nm per variazioni del raggio esterno che vanno da 75 a 150nm. Geometria della sezione verticale del ring e ring accoppiati due a due. Redshift notevolmente più bassi. Proprio alle lunghezze d’onda individuate dai picchi di risonanza, si vanno a fare misure di amplificazione del campo prossimo al nanoring: tale |E| amplificazione viene valutata dal rapporto , dove E rappresenta il campo |Einc | elettrico in prossimità della superficie della nanostruttura e Einc il valore della radiazione incidente. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011
  67. 67. Nanoring in oro Risonanze in un nanoring in oroRisonanzePlasmoniche SPP L’analisi degli spettri di estinzione mostrano le seguenti dipendenze per i picchi LSP di risonanza:Nanoring in oro Produzione Rapporto tra lo spessore ed il raggio esterno del ring. Estinzione Si nota un grande redshift al diminuire di questo rapporto, i.e. riducendo tale rapporto da un valore Risonanze Applicazioni di 0.22 ad uno di 0.16 per un ring di raggio esterno di 60nm si ottiene uno shift nel picco di risonanza di circa 400nm, da circa 1000nm a circa 1400nm.Nanoring a CataniaProduzione Dielettrico in cui i ring sono immersi.Osservazioni AFM Redshift all’aumentare dell’indice di rifrazione.SimulazioniIl metodo FDTD Raggio esterno del ring. Algoritmo di Yee Redshift molto più piccoli all’aumentare del raggio esterno, i.e. si va incontro a spostamenti di circa Implementazione 300nm per variazioni del raggio esterno che vanno da 75 a 150nm. Geometria della sezione verticale del ring e ring accoppiati due a due. Redshift notevolmente più bassi. Proprio alle lunghezze d’onda individuate dai picchi di risonanza, si vanno a fare misure di amplificazione del campo prossimo al nanoring: tale |E| amplificazione viene valutata dal rapporto , dove E rappresenta il campo |Einc | elettrico in prossimità della superficie della nanostruttura e Einc il valore della radiazione incidente. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011
  68. 68. Nanoring in oro Risonanze in un nanoring in oroRisonanzePlasmoniche SPP L’analisi degli spettri di estinzione mostrano le seguenti dipendenze per i picchi LSP di risonanza:Nanoring in oro Produzione Rapporto tra lo spessore ed il raggio esterno del ring. Estinzione Si nota un grande redshift al diminuire di questo rapporto, i.e. riducendo tale rapporto da un valore Risonanze Applicazioni di 0.22 ad uno di 0.16 per un ring di raggio esterno di 60nm si ottiene uno shift nel picco di risonanza di circa 400nm, da circa 1000nm a circa 1400nm.Nanoring a CataniaProduzione Dielettrico in cui i ring sono immersi.Osservazioni AFM Redshift all’aumentare dell’indice di rifrazione.SimulazioniIl metodo FDTD Raggio esterno del ring. Algoritmo di Yee Redshift molto più piccoli all’aumentare del raggio esterno, i.e. si va incontro a spostamenti di circa Implementazione 300nm per variazioni del raggio esterno che vanno da 75 a 150nm. Geometria della sezione verticale del ring e ring accoppiati due a due. Redshift notevolmente più bassi. Proprio alle lunghezze d’onda individuate dai picchi di risonanza, si vanno a fare misure di amplificazione del campo prossimo al nanoring: tale |E| amplificazione viene valutata dal rapporto , dove E rappresenta il campo |Einc | elettrico in prossimità della superficie della nanostruttura e Einc il valore della radiazione incidente. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011
  69. 69. Nanoring in oro Risonanze in un nanoring in oroRisonanzePlasmoniche SPP L’analisi degli spettri di estinzione mostrano le seguenti dipendenze per i picchi LSP di risonanza:Nanoring in oro Produzione Rapporto tra lo spessore ed il raggio esterno del ring. Estinzione Si nota un grande redshift al diminuire di questo rapporto, i.e. riducendo tale rapporto da un valore Risonanze Applicazioni di 0.22 ad uno di 0.16 per un ring di raggio esterno di 60nm si ottiene uno shift nel picco di risonanza di circa 400nm, da circa 1000nm a circa 1400nm.Nanoring a CataniaProduzione Dielettrico in cui i ring sono immersi.Osservazioni AFM Redshift all’aumentare dell’indice di rifrazione.SimulazioniIl metodo FDTD Raggio esterno del ring. Algoritmo di Yee Redshift molto più piccoli all’aumentare del raggio esterno, i.e. si va incontro a spostamenti di circa Implementazione 300nm per variazioni del raggio esterno che vanno da 75 a 150nm. Geometria della sezione verticale del ring e ring accoppiati due a due. Redshift notevolmente più bassi. Proprio alle lunghezze d’onda individuate dai picchi di risonanza, si vanno a fare misure di amplificazione del campo prossimo al nanoring: tale |E| amplificazione viene valutata dal rapporto , dove E rappresenta il campo |Einc | elettrico in prossimità della superficie della nanostruttura e Einc il valore della radiazione incidente. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011
  70. 70. Nanoring in oro ApplicazioniRisonanzePlasmoniche SPP LSPNanoring in oro Produzione Il volume racchiuso dal ring è infatti vuoto e quindi accessibile per diverse Estinzione Risonanze applicazioni come sensori e spettroscopie in scala micrometrica. Esempi di Applicazioni applicazioni sono:Nanoring a Catania Ricoprire le superfici dei sensori utilizzati per la SERS (Surface EnhancedProduzioneOsservazioni AFM Raman Spectroscopy), che consiste in una tecnica a superficie sensibile che migliora lo scattering Raman da molecole assorbite su superficiSimulazioniIl metodo FDTD metalliche rugose. Algoritmo di Yee √ Implementazione Biosensori: un fattore di amplificazione di campo prossimo di ∼ 5, dell’ordine di quelli osservati proprio al centro della cavità del ring, suggerisce che in tale regione si possa trovare un sito ottimale per rilevare legami molecolari. Sensori ottici chip-based, che possano essere applicati anche per lo sviluppo di farmaci e per la diagnosi e il trattamento di malattie. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011
  71. 71. Nanoring in oro ApplicazioniRisonanzePlasmoniche SPP LSPNanoring in oro Produzione Il volume racchiuso dal ring è infatti vuoto e quindi accessibile per diverse Estinzione Risonanze applicazioni come sensori e spettroscopie in scala micrometrica. Esempi di Applicazioni applicazioni sono:Nanoring a Catania Ricoprire le superfici dei sensori utilizzati per la SERS (Surface EnhancedProduzioneOsservazioni AFM Raman Spectroscopy), che consiste in una tecnica a superficie sensibile che migliora lo scattering Raman da molecole assorbite su superficiSimulazioniIl metodo FDTD metalliche rugose. Algoritmo di Yee √ Implementazione Biosensori: un fattore di amplificazione di campo prossimo di ∼ 5, dell’ordine di quelli osservati proprio al centro della cavità del ring, suggerisce che in tale regione si possa trovare un sito ottimale per rilevare legami molecolari. Sensori ottici chip-based, che possano essere applicati anche per lo sviluppo di farmaci e per la diagnosi e il trattamento di malattie. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011
  72. 72. Nanoring in oro ApplicazioniRisonanzePlasmoniche SPP LSPNanoring in oro Produzione Il volume racchiuso dal ring è infatti vuoto e quindi accessibile per diverse Estinzione Risonanze applicazioni come sensori e spettroscopie in scala micrometrica. Esempi di Applicazioni applicazioni sono:Nanoring a Catania Ricoprire le superfici dei sensori utilizzati per la SERS (Surface EnhancedProduzioneOsservazioni AFM Raman Spectroscopy), che consiste in una tecnica a superficie sensibile che migliora lo scattering Raman da molecole assorbite su superficiSimulazioniIl metodo FDTD metalliche rugose. Algoritmo di Yee √ Implementazione Biosensori: un fattore di amplificazione di campo prossimo di ∼ 5, dell’ordine di quelli osservati proprio al centro della cavità del ring, suggerisce che in tale regione si possa trovare un sito ottimale per rilevare legami molecolari. Sensori ottici chip-based, che possano essere applicati anche per lo sviluppo di farmaci e per la diagnosi e il trattamento di malattie. Nanoring in oro Valentina Ferro 17-11-2011

×