Δημιουργία πλασμονικών επιφανειών για φωτονικούς αισθητήρες
Η αλληλεπίδραση των μετάλλων με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία οφείλεται κυρίως στα ελεύθερα ηλεκτρόνια του μετάλλου. Επιφανειακές ταλαντώσεις του ελεύθερου ηλεκτρονικού νέφους μπορούν να διεγερθούν μέσω ηλεκτρομαγνητικής (ΗΜ) ακτινοβολίας ή κρούσεων με ηλεκτρόνια ή άλλα φορτισμένα σωματίδια σχετ...
| Κύριος συγγραφέας: | |
|---|---|
| Άλλοι συγγραφείς: | |
| Γλώσσα: | Greek |
| Έκδοση: |
2021
|
| Θέματα: | |
| Διαθέσιμο Online: | http://hdl.handle.net/10889/15533 |
| id |
nemertes-10889-15533 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| institution |
UPatras |
| collection |
Nemertes |
| language |
Greek |
| topic |
Πλασμόνια Αισθητήρες Plasmons Sensors |
| spellingShingle |
Πλασμόνια Αισθητήρες Plasmons Sensors Σμυρνιώτη, Ευαγγελία Δημιουργία πλασμονικών επιφανειών για φωτονικούς αισθητήρες |
| description |
Η αλληλεπίδραση των μετάλλων με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία οφείλεται κυρίως στα ελεύθερα ηλεκτρόνια του μετάλλου. Επιφανειακές ταλαντώσεις του ελεύθερου ηλεκτρονικού νέφους μπορούν να διεγερθούν μέσω ηλεκτρομαγνητικής (ΗΜ) ακτινοβολίας ή κρούσεων με ηλεκτρόνια ή άλλα φορτισμένα σωματίδια σχετικά μικρής ενέργειας. Οι συζευγμένες ταλαντώσεις ηλεκτρονίων-ΗΜ κυμάτων ονομάζονται πλασμόνια και απαντώνται ως φυσικό σύστημα στο στερεό όγκο του μετάλλου ή εμπλουτισμένου ημιαγωγού, στην επιφάνεια του στερεού, σε νανοσωματίδια και νανοδομές.
Η χρήση νανοσωματιδιακών πλασμονικών δομών αναφέρεται στην αρχαιότητα ως μέσo χρωματισμού υλικών κεραμικής και υαλουργίας. Από τις πρώτες μελέτες των Drude-Sommerfeld, τα πειράματα του Wood (1902) και έως σήμερα, η μελέτη των πλασμονίων υφίσταται σταθερά αυξανόμενο ενδιαφέρον βρίσκοντας πολυάριθμες εφαρμογές στην ιατρική, βιολογία, χημεία κ.α.
Κύριο αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η δημιουργία πλασμονικών επιφανειών χρυσού (Au) για εφαρμογές σε φωτονικούς αισθητήρες. Η εργασία ασχολείται με δυο κατηγορίες πλασμονικών επιφανειών, οι οποίες κατασκευάζονται και μελετώνται με αναλυτικές μεθόδους μικροσκοπίας και φασματοσκοπίας. Εντοπίζονται ο συντονισμός πλασμονίου και η εν γένει φασματική συμπεριφορά τους.
Η πρώτη φάση του έργου εστιάζει στη δημιουργία και μελέτη δομών εντοπισμένων επιφανειακών πλασμονίωνAuσε υποστρώματα υάλου. Η εναπόθεση των νανομετρικών υμενίων νησίδων Auπραγματοποιήθηκε με ιοντοβολή και ακολούθησε θερμική επεξεργασία και επεξεργασία με ακτινοβολία excimer λέιζερ ArF βαθέως υπεριώδους, λ=193nm, για βελτιστοποίηση της δομής. Στην συνέχεια, μελετήθηκε η δομή και η λειτουργική συμπεριφορά των επιφανειώνμε φασματοσκοπία υπεριώδους-ορατού στον αέρα, καθώς και στις μεταβολές του δείκτη διάθλασης του περιβάλλοντος μέσου υποδειγματικών διαλυμάτων H2O/NaCl. Τα αποτελέσματα δείχνουν μια αξιόλογη γραμμική μετατόπιση (Δλ) της κεντρικής συχνότητας με την αύξηση του δείκτη διάθλασης του μέσου με ρυθμό ~493 nm/RIU και δυναμικό πεδίο ~230 %/RIU.
Στη δεύτερη φάση δημιουργήθηκαν πλασμονικές επιφάνειες Au σε ανάγλυφα οπτικά φράγματα περίθλασης και μελετήθηκε η οπτική συμπεριφορά τους με έμφαση στην πόλωση του φωτός, και στην σύζευξη φωτός-πλασμονίου. Παρατηρήθηκε ενίσχυση της πλασμονικής εκπομπής της ακτινοβολίας στην περιοχή του βαθέως ερυθρού και εγγύς υπερύθρου. Η μελέτη μετατόπισης του συντονισμού με την αύξηση του δείκτη διάθλασης ανέδειξε μια σημαντική μετατόπιση της τάξης ~2920nm/RIU, με δυναμικό πεδίο μέτρησης ~1624 %/RIU. .
Τα αποτελέσματα της παρούσας μεταπτυχιακής διπλωματικής εργασίας αναμένεται να οδηγήσουν στην υλοποίηση υπερευαίσθητων δομών φωτονικών αισθητήρων και υπόσχονται την άμεση αξιοποίησή τους στην ανάπτυξη δομών φωτονικών βιοαισθητήρων με ειδικότερη εφαρμογή την ανίχνευση τοξινών σε τρόφιμα. |
| author2 |
Smirnioti, Evangelia |
| author_facet |
Smirnioti, Evangelia Σμυρνιώτη, Ευαγγελία |
| author |
Σμυρνιώτη, Ευαγγελία |
| author_sort |
Σμυρνιώτη, Ευαγγελία |
| title |
Δημιουργία πλασμονικών επιφανειών για φωτονικούς αισθητήρες |
| title_short |
Δημιουργία πλασμονικών επιφανειών για φωτονικούς αισθητήρες |
| title_full |
Δημιουργία πλασμονικών επιφανειών για φωτονικούς αισθητήρες |
| title_fullStr |
Δημιουργία πλασμονικών επιφανειών για φωτονικούς αισθητήρες |
| title_full_unstemmed |
Δημιουργία πλασμονικών επιφανειών για φωτονικούς αισθητήρες |
| title_sort |
δημιουργία πλασμονικών επιφανειών για φωτονικούς αισθητήρες |
| publishDate |
2021 |
| url |
http://hdl.handle.net/10889/15533 |
| work_keys_str_mv |
AT smyrniōtēeuangelia dēmiourgiaplasmonikōnepiphaneiōngiaphōtonikousaisthētēres AT smyrniōtēeuangelia creationofplasmonicsurfacesforphotonicsensors |
| _version_ |
1799945008757866496 |
| spelling |
nemertes-10889-155332022-09-06T05:14:16Z Δημιουργία πλασμονικών επιφανειών για φωτονικούς αισθητήρες Creation of plasmonic surfaces for photonic sensors Σμυρνιώτη, Ευαγγελία Smirnioti, Evangelia Πλασμόνια Αισθητήρες Plasmons Sensors Η αλληλεπίδραση των μετάλλων με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία οφείλεται κυρίως στα ελεύθερα ηλεκτρόνια του μετάλλου. Επιφανειακές ταλαντώσεις του ελεύθερου ηλεκτρονικού νέφους μπορούν να διεγερθούν μέσω ηλεκτρομαγνητικής (ΗΜ) ακτινοβολίας ή κρούσεων με ηλεκτρόνια ή άλλα φορτισμένα σωματίδια σχετικά μικρής ενέργειας. Οι συζευγμένες ταλαντώσεις ηλεκτρονίων-ΗΜ κυμάτων ονομάζονται πλασμόνια και απαντώνται ως φυσικό σύστημα στο στερεό όγκο του μετάλλου ή εμπλουτισμένου ημιαγωγού, στην επιφάνεια του στερεού, σε νανοσωματίδια και νανοδομές. Η χρήση νανοσωματιδιακών πλασμονικών δομών αναφέρεται στην αρχαιότητα ως μέσo χρωματισμού υλικών κεραμικής και υαλουργίας. Από τις πρώτες μελέτες των Drude-Sommerfeld, τα πειράματα του Wood (1902) και έως σήμερα, η μελέτη των πλασμονίων υφίσταται σταθερά αυξανόμενο ενδιαφέρον βρίσκοντας πολυάριθμες εφαρμογές στην ιατρική, βιολογία, χημεία κ.α. Κύριο αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η δημιουργία πλασμονικών επιφανειών χρυσού (Au) για εφαρμογές σε φωτονικούς αισθητήρες. Η εργασία ασχολείται με δυο κατηγορίες πλασμονικών επιφανειών, οι οποίες κατασκευάζονται και μελετώνται με αναλυτικές μεθόδους μικροσκοπίας και φασματοσκοπίας. Εντοπίζονται ο συντονισμός πλασμονίου και η εν γένει φασματική συμπεριφορά τους. Η πρώτη φάση του έργου εστιάζει στη δημιουργία και μελέτη δομών εντοπισμένων επιφανειακών πλασμονίωνAuσε υποστρώματα υάλου. Η εναπόθεση των νανομετρικών υμενίων νησίδων Auπραγματοποιήθηκε με ιοντοβολή και ακολούθησε θερμική επεξεργασία και επεξεργασία με ακτινοβολία excimer λέιζερ ArF βαθέως υπεριώδους, λ=193nm, για βελτιστοποίηση της δομής. Στην συνέχεια, μελετήθηκε η δομή και η λειτουργική συμπεριφορά των επιφανειώνμε φασματοσκοπία υπεριώδους-ορατού στον αέρα, καθώς και στις μεταβολές του δείκτη διάθλασης του περιβάλλοντος μέσου υποδειγματικών διαλυμάτων H2O/NaCl. Τα αποτελέσματα δείχνουν μια αξιόλογη γραμμική μετατόπιση (Δλ) της κεντρικής συχνότητας με την αύξηση του δείκτη διάθλασης του μέσου με ρυθμό ~493 nm/RIU και δυναμικό πεδίο ~230 %/RIU. Στη δεύτερη φάση δημιουργήθηκαν πλασμονικές επιφάνειες Au σε ανάγλυφα οπτικά φράγματα περίθλασης και μελετήθηκε η οπτική συμπεριφορά τους με έμφαση στην πόλωση του φωτός, και στην σύζευξη φωτός-πλασμονίου. Παρατηρήθηκε ενίσχυση της πλασμονικής εκπομπής της ακτινοβολίας στην περιοχή του βαθέως ερυθρού και εγγύς υπερύθρου. Η μελέτη μετατόπισης του συντονισμού με την αύξηση του δείκτη διάθλασης ανέδειξε μια σημαντική μετατόπιση της τάξης ~2920nm/RIU, με δυναμικό πεδίο μέτρησης ~1624 %/RIU. . Τα αποτελέσματα της παρούσας μεταπτυχιακής διπλωματικής εργασίας αναμένεται να οδηγήσουν στην υλοποίηση υπερευαίσθητων δομών φωτονικών αισθητήρων και υπόσχονται την άμεση αξιοποίησή τους στην ανάπτυξη δομών φωτονικών βιοαισθητήρων με ειδικότερη εφαρμογή την ανίχνευση τοξινών σε τρόφιμα. The interaction of metals with electromagnetic radiation of visible spectrum is mainly due to the free electrons of the metal. Oscillations of the free electron cloud can be excited by EM radiation or collisions with electrons or other relatively lowenergy charged particles. Collective oscillations of electrons and electromagnetic (EM) waves called ‘plasmons’ are found as a natural system in the solid volume of the metal or doped semiconductor, on the surface of solid, in nanoparticles and nanostructures. The use of plasmonic nanoparticles refers to antiquity as the means of coloring ceramic and glass materials. From the first studies of Drude-Sommerfeld, the experiments of Wood (1902) until today, the study of plasmons is of a constantly increasing interest, finding numerous applications in medicine, biology, chemistry, etc. The objective of this diploma thesis is the creation of plasmonic gold (Au) surfaces for applications in photonic sensors. The work deals with two categories of plasmonic surfaces, namely localized and grating structures, which are constructed and studied by analytical methods of microscopy and spectroscopy. Plasmon resonances and spectral behaviors are identified and studied. The first phase of the project focuses on the fabrication and study of Au structureson glass substrates, enabling localized surface plasmons. The depositionnanometricAu island films was performed by sputtering, followed by thermal treatment and processing by excimer laser ArF deep ultraviolet radiation at λ = 193nm, in order to optimize their functional behavior. Subsequently, the structure and functionality of the surfaces were studied by ultraviolet-visible spectroscopy in air. Changes of the refractive index of the ambient medium, by use of exemplary H2O / NaCl solutions are recorded via the alteration of plasmonic response. The results show a considerable linear shift of the center of resonance wavelength (Δλ) as a function of refractive index at a rate of ~493 nm/RIUand dynamic range~230 %/RIU. In the second phase, plasmonic surfaces of Au were created in sinusoidal optical diffraction gratings and were studiedfor their optical behavior with emphasis on the polarization of light and light-plasmon coupling. An increase in plasmon emission of radiation was observed in the range of deep-red and near-infrared. Theobserved shift of refractive index showed a significant shift of ~2920nm/RIU, with a dynamic range of ~1624 %/RIU. The results of present diploma thesis are expected to lead to the realization of hypersensitive photon sensor structures, promising their immediate utilization in the development of photonic biosensor structures for specific application in the detection of toxins in food. 2021-11-08T07:09:44Z 2021-11-08T07:09:44Z 2021-08-30 http://hdl.handle.net/10889/15533 gr application/pdf |
