RICERCA ITALIANA     

Nanostrutture plasmoniche e loro interazioni con cromofori: verso dispositivi fotonici e sensori ottici innovativi

Università degli Studi di Padova

Abstract

La realizzazione del grande potenziale delle nanotecnologie per dispositivi fotonici e sensori ottici deve contare sulla realizzazione di nano strutture plasmoniche in materiali appositamente funzionalizzati con diversi tipi di specie attive come coloranti organici e nanocristalli metallici o semiconduttori. Infatti, i plasmoni di superficie consentono di concentrare e incanalare la luce usando strutture di dimensioni inferiori alla lunghezza d’onda. Concentrare la luce in questo modo porta ad un’amplificazione che può essere sfruttata per manipolare le interazione luce-materia e per dare forte impulso ai fenomeni non-lineari.
Al fine di ottenere risultati di elevata qualità è necessario disporre di competenze in campi specifici come la sintesi di materiali, la realizzazione di nanostrutture, la funzionalizzazione con materiali specifici delle superfici modellate, la caratterizzazione strutturale ed ottica e la modellazione teorica dei sistemi preparati.
Le unità di ricerca coinvolte nel progetto contribuiranno, coordinando le loro competenze complementari, a tutta la filiera delle attività programmate che sono brevemente indicate nel seguito.
(1) La sintesi di materiali, sia modellabili che resi funzionali per drogaggio, inclusione o derivativazione chimica; questo includerà:
a. La preparazione o materiali ibridi organico-inorganici ottenuti con il metodo sol-gel;
b. La deposizione di film sottili porosi sulle superfici metalliche >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Renato Bozio Università degli Studi di PADOVA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il progetto mira ad aggregare competenze multidisciplinari nei settori della Chimica, della Fisica e dell’Ingegneria dei Materiali al fine di conseguire obiettivi di approfondimento delle conoscenze di base relative a fenomeni ottici su scala sub-micrometrica di potenziale interesse applicativo. Tali fenomeni sono basati su eccitazioni di plasmoni di superficie (SP) in sistemi metallici nanostrutturati e sulle interazioni tra queste eccitazioni e cromofori organici oppure nanocristalli metallici o di semiconduttori. Il progetto mira anche ad obiettivi orientati alle applicazioni attraverso la realizzazione di dimostratori di principio relativi allo sviluppo di dispositivi innovativi nel campo della fotonica e della sensoristica ottica. Un ruolo centrale per l’ottenimento di questi risultati sarà costituito dallo sviluppo di nuovi materiali nanostrutturati e di processi di nanofabbricazione.
I fenomeni plasmonici che saranno oggetto di studio riguardano sia: (a) la propagazione di SP in superfici metalliche nanostrutturate ottenute con i metodi della nanolitografia o con quelli dell’auto-assemblaggio che (b) SP localizzati su nanoparticelle metalliche di varie dimensioni e geometrie, incluse le strutture nucleo-guscio (core-shell). Per ambedue i casi sopra detti verranno messi a punto metodi di funzionalizzazione delle superfici con cromofori dotati di elevate proprietà di emissione di fluorescenza e/o di risposta ottica non lineare e/o di altre proprietà quali il >>>

Risultati parziali attesi

I risultati previsti del progetto sono consistenti con gli obiettivi specifici su riportati. Essi riguardano:
a) Lo sviluppo delle conoscenze di base relative ai fenomeni plasmonici principali oggetto di studio, sia per quanto riguarda le strutture “passive” che quelle “attive” ottenute attraverso la funzionalizzazione molecolare e biomolecolare o con nanocristalli.
b) Lo sviluppo di nuovi materiali progettati ai fini del conseguimento degli obiettivi del progetto ma che possono trovare utile applicazione anche in altri contesti scientifico-tecnologici.
c) Lo sviluppo di tecnologie di processo nel campo della sintesi, della nanofabbricazione, della produzione di strutture prototipo per la plasmonica e la nanofotonica e per la loro caratterizzazione funzionale.
d) La realizzazione di dimostratori di principio per dispositivi di generazione, trasmissione e manipolazione di segnali ottici e per sensori chimici e biochimici.

Per quanto riguarda il punto a), l’analisi teorica e le simulazioni numeriche contribuiranno alla nostra comprensione dei fenomeni di propagazione e di intensificazione del campo locale nelle varie strutture plasmoniche che verranno realizzate e studiate sperimentalmente. Questo fornirà anche linee guida per l’ottimizzazione nella seconda fase del progetto. L’attività di modelling teorico riguarderà anche lo studio delle interazioni tra SP e specie attive con particolare riguardo all’amplificazione delle risposte >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

I plasmoni di superficie (SP) sono onde che si propagano lungo la superficie di un conduttore. Essi sono essenzialmente onde di luce che sono intrappolate sulla superficie a causa della loro interazione con gli elettroni liberi del conduttore. In questa interazione, gli elettroni liberi rispondono collettivamente oscillando in risonanza con l’onda luminosa. L’interazione risonante tra le oscillazioni di carica superficiale ed il campo elettromagnetico della luce costituisce il plasmone e dàluogo alle sue singolari proprietà. Alterando la struttura della superficie di un metallo, le proprietà dei plasmoni di superficie, e in particolare la loro interazione con la luce, possono essere modellate su misura. Ciò offre la possibilità di sviluppare nuovi tipi di dispositivi fotonici che potranno essere utilizzati in circuiti fotonici miniaturizzati su scale dimensionali molto inferiori a quelle attualmente realizzate. I plasmoni di superficie vengono attivamente studiati per le loro potenziali utilizzazioni in ottica sotto il limite di diffrazione, nell’immagazzinamento di dati, nei dispostivi di emissione luminosa, nella microsocpia e nella bio-fotonica. Il rinnovato interesse negli SP è originato dai recenti progressi che consentono di strutturare e caratterizzare la superficie di un metallo su una scala nanometrica.

Ad oggi, sono stati dimostrati vari dispositivi plasmonici comprendenti filtri [1], guide d’onda [1,2], polarizzatori [3], specchi di Bragg [1] e >>>