Plasmonically active SERS substrates, such as metallic gratings or MetaMaterials like Split Ring Resonators, have sub-wavelength features that enable direct coupling of normally incident electromagnetic radiation to surface plasmons. The high detection sensitivity of these methods exploits the EM field enhancements which arise in the proximity of the metallic nanostructures. The object of the PhD research is the design, fabrication and characterization of plasmonic nanostructures to be used as biosensors. In order to fabricate SERS-active substrates suitable for sensing applications, a well-tested nanofabrication process for the realization of easily manufacturable and reproducible devices has been developed, exploring the different mechanisms of light transmission through 1D digital metallic gratings in order to optimize the optical response and efficiency of the devices. 1D digital gold grating devices, able to concentrate the electromagnetic radiation inside the slits, have been fabricated. The SERS Enhancement Factor of the realized nanostructures and its dependence on a generic hybrid polarization have been measured and compared with the theoretical estimations. A good agreement between the experimental and numerical estimations, added up to a well-tested nanofabrication process able to guarantee a good uniformity and reproducibility of the device, has confirmed the potentiality of the nanofabrication technique in substrate engineering to provide local fields of the desired intensity and location. Finally, novel types of sensing nanodevices, coupling biosensing to MetaMaterials properties have been realized, to explore the peculiar properties of such kind of structures in combination with plasmonic nano-optics. These type of sensors would likelihood represent a promising step toward future reproducible single-molecule detection using engineered plasmonic substrates

Substrati SERS plasmonicamente attivi, come grating metallici o MetaMateriali quali Split Ring Resonators, hanno caratteristiche sub-wavelength che consentono l'accoppiamento diretto tra radiazione elettromagnetica normalmente incidente e plasmoni di superficie. L'elevata sensibilità di rivelazione di questi metodi sfrutta l’incremento del campo EM che si origina in prossimità di nanostrutture metalliche. L'oggetto della ricerca di dottorato è la progettazione, fabbricazione e caratterizzazione di nanostrutture plasmoniche per applicazioni biosensoristiche. Allo scopo di fabbricare substrati SERS-attivi adatti per applicazioni di tipo sensoristico, è stato sviluppato un collaudato processo di nanofabbricazione in grado di consentire la realizzazione di dispositivi facilmente fabbricabili e riproducibili. Ciò ha richiesto lo studio e la comprensione dei diversi meccanismi di trasmissione della luce attraverso reticoli metallici digitali unidimensionali al fine di ottimizzare la risposta ottica e l'efficienza dei dispositivi. Sono stati fabbricati dispositivi costituiti da grating d'oro unidimensionali in grado di concentrare la radiazione elettromagnetica all’interno delle fenditure ed è stato misurato e confrontato con stime teoriche il fattore di enhancement SERS delle nanostrutture realizzate e la sua dipendenza da una polarizzazione ibrida generica. Un buon accordo tra le stime numeriche e sperimentali, assieme ad una tecnica di nanofabbricazione collaudata in grado di garantire una buona uniformità e riproducibilità del processo, conferma le potenzialità della tecnica nell’ingegnerizzazione di substrati per la generazione di campi locali dell’intensità e della distribuzione desiderata. Sono stati infine realizzati nuovi tipi di nanosensori allo scopo di accoppiare le proprietà biosensoristiche con quelle dei MetaMateriali, in modo da studiare le proprietà peculiari di questo tipo di strutture se combinate con nano-ottiche plasmoniche. Questo tipo di sensori rappresentano un passo promettente verso una possibile futura rivelazione di singole molecole tramite ingegnerizzazione di substrati plasmonici.

Design of nanodevices for sensing applications / Massari, Michele. - (2012 Jan 29).

Design of nanodevices for sensing applications

Massari, Michele
2012

Abstract

Plasmonically active SERS substrates, such as metallic gratings or MetaMaterials like Split Ring Resonators, have sub-wavelength features that enable direct coupling of normally incident electromagnetic radiation to surface plasmons. The high detection sensitivity of these methods exploits the EM field enhancements which arise in the proximity of the metallic nanostructures. The object of the PhD research is the design, fabrication and characterization of plasmonic nanostructures to be used as biosensors. In order to fabricate SERS-active substrates suitable for sensing applications, a well-tested nanofabrication process for the realization of easily manufacturable and reproducible devices has been developed, exploring the different mechanisms of light transmission through 1D digital metallic gratings in order to optimize the optical response and efficiency of the devices. 1D digital gold grating devices, able to concentrate the electromagnetic radiation inside the slits, have been fabricated. The SERS Enhancement Factor of the realized nanostructures and its dependence on a generic hybrid polarization have been measured and compared with the theoretical estimations. A good agreement between the experimental and numerical estimations, added up to a well-tested nanofabrication process able to guarantee a good uniformity and reproducibility of the device, has confirmed the potentiality of the nanofabrication technique in substrate engineering to provide local fields of the desired intensity and location. Finally, novel types of sensing nanodevices, coupling biosensing to MetaMaterials properties have been realized, to explore the peculiar properties of such kind of structures in combination with plasmonic nano-optics. These type of sensors would likelihood represent a promising step toward future reproducible single-molecule detection using engineered plasmonic substrates
Substrati SERS plasmonicamente attivi, come grating metallici o MetaMateriali quali Split Ring Resonators, hanno caratteristiche sub-wavelength che consentono l'accoppiamento diretto tra radiazione elettromagnetica normalmente incidente e plasmoni di superficie. L'elevata sensibilità di rivelazione di questi metodi sfrutta l’incremento del campo EM che si origina in prossimità di nanostrutture metalliche. L'oggetto della ricerca di dottorato è la progettazione, fabbricazione e caratterizzazione di nanostrutture plasmoniche per applicazioni biosensoristiche. Allo scopo di fabbricare substrati SERS-attivi adatti per applicazioni di tipo sensoristico, è stato sviluppato un collaudato processo di nanofabbricazione in grado di consentire la realizzazione di dispositivi facilmente fabbricabili e riproducibili. Ciò ha richiesto lo studio e la comprensione dei diversi meccanismi di trasmissione della luce attraverso reticoli metallici digitali unidimensionali al fine di ottimizzare la risposta ottica e l'efficienza dei dispositivi. Sono stati fabbricati dispositivi costituiti da grating d'oro unidimensionali in grado di concentrare la radiazione elettromagnetica all’interno delle fenditure ed è stato misurato e confrontato con stime teoriche il fattore di enhancement SERS delle nanostrutture realizzate e la sua dipendenza da una polarizzazione ibrida generica. Un buon accordo tra le stime numeriche e sperimentali, assieme ad una tecnica di nanofabbricazione collaudata in grado di garantire una buona uniformità e riproducibilità del processo, conferma le potenzialità della tecnica nell’ingegnerizzazione di substrati per la generazione di campi locali dell’intensità e della distribuzione desiderata. Sono stati infine realizzati nuovi tipi di nanosensori allo scopo di accoppiare le proprietà biosensoristiche con quelle dei MetaMateriali, in modo da studiare le proprietà peculiari di questo tipo di strutture se combinate con nano-ottiche plasmoniche. Questo tipo di sensori rappresentano un passo promettente verso una possibile futura rivelazione di singole molecole tramite ingegnerizzazione di substrati plasmonici.
Nanodevices, sensing, Electron Beam Lithography, Extraordinary Optical Transmission, Metamaterials, Plasmonics, SERS
Design of nanodevices for sensing applications / Massari, Michele. - (2012 Jan 29).
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