Innovative Plasmonic Nanostructures Based on Translation or Scale Invariance for Nano-Photonics

In this thesis innovative plasmonic nanostructures have been studied under many aspects, from the synthesis to the characterization and finite elements modeling. We focused on two kinds of ordered nanostructures: (i) those exhibiting bidimensional (2D) translational invariance and (ii) those possessing autosimilarity and fractal character. Three kinds of nanostructures characterized by 2D periodicity have been analyzed: nanoprism arrays (NPA), nanohole arrays (NHA) and quasishell arrays (QSA), whose building blocks are, respectively, metallic prisms with triangular-like base, holes passing through a metal thin film and metallic non-closed shells around a dielectric core. The first kind is the base for biosensors, and in this case an optimization study has been performed to maximize sensivity. The second one is the key for a fine control of the emission from excited Erbium ions, which overcomes the previous results obtained without nano-patterning. The third one is based on a novel approach to bi-metallic nanostructures fabrication, enabling the realization of plasmonic and magneto-plasmonic materials. The patterning at nano scales has been made cost-effective, as all these periodic systems are based on a cheap synthesis technique. Finally, nanostructures showing scale invariance, fractals, have been synthesized and thoroughly studied, both experimentally and with simulations. As a result, a universal role of correlation has been recognized in these plasmonic systems. Overall, this thesis gives insights on the physics underlying the plasmonic response of nanostructures which base their outstanding properties on symmetry, either on scaling or on translation.

In questa tesi nanostrutture plasmoniche innovative sono state studiate sotto molteplici aspetti, a partire dalla sintesi fino alla caratterizzazione e alla modellizazione ad elementi finiti. L’attenzione è stata focalizzata su due tipi di nanostrutture ordinate: (i) quelle che mostrano invarianza traslazionale bidimensionale (2D) e (ii) quelle che hanno autosimilarità e carattere frattale. Tre tipi di nanostrutture caratterizzate dalla periodicità 2D sono state analizzate: matrici di nanoprismi, matrici di nanobuchi e matrici di gusci quasi chiusi, i cui elementi di base sono, rispettivamente, prismi metallici a base triangolare, buchi che attraversano strati sottili di metallo e gusci metallici non chiusi attorno a un nucleo dielettrico. Il primo tipo è la base per dei biosensori, e in questo caso uno studio di ottimizzazione è stato compiuto per massimizzare la sensibilità. Il secondo tipo è la chiave per il controllo fine dell’emissione da ioni di Erbio eccitati, e il risultato supera i precedenti, ottenuti senza nanostrutturazione. Il terzo tipo è basato su di un nuovo approccio per la fabbricazione di nanostrutture bi-metalliche, consentendo la produzione di materiali plasmonici e magnetoplasmonici. La strutturazione alla nanoscala è stata portata avanti in modo economicamente vantaggioso, essento tutti e tre i sistemi periodici basati su di una tecnica poco costosa di sintesi. Infine, nanostrutture che mostrano invarianza di scala, frattali, sono state sintetizzate e studiate meticolosamente, sia sperimentalmente che con simulazioni. Come risultato, il ruolo universale della correlazione è stato identificato in questo tipo di sistemi plasmonici. Complessivamente, la presente tesi fornisce una comprensione della fisica alla base della risposta plasmonica delle nanstrutture che basano le loro notevoli proprietà sulle simmetrie, siano esse di scala o per translazione.