Optička svojstva nanostruktura

Laboratorij za optiku i tanke slojeve dio svojih razvojnih i istraživačkih aktivnosti usmjerava na dizajniranje, izradu i karakterizaciju višeslojnih uzoraka gdje se uz klasične tanke filmove koriste i nanostrukturirani materijali s plazmoničkim karakteristikama. Imamo veliko znanje i iskustvo u karakterizaciji i modeliranju materijala u tankim slojevima. Koristimo metode kojima se ne oštećuje uzorak (spektrofotometrija i spektroskopska elipsometrija). Nakon što se odrede optička svojstva materijala, korištenjem numeričkih metoda pristupa se izradi dizajna složenih višeslojnih struktura. Naša najnovija znanstvena istraživanja usmjerena su na izradu dvo- i trodimenzionalnih fotoničkih mikrostruktura korištenjem metode razlaganja metalnih nanočestica uz pomoć električnog polja.

Priprema uzoraka

Optičke tanke filmove i višeslojne sisteme izrađujemo metodom naparavanja uz pomoć elektronskog topa. U toku je ugradnja optičke kontrole u uređaj za ionski potpomognutu depoziciju slojeva.

Materijali

Imamo veliko znanje i iskustvo u depoziciji dielektričnih materijala (SiO2, TiO2, ZrO2, Y2O3), metala (Ag, Au, Cr) i poluvodiča (Si, Ge). Naša su znanstvena istraživanja zadnjih godina usmjerena na proučavanje metalnih nanočestica i uz njih vezane rezonancije površinskih plazmona (SPR, slika 1). SPR uzrokuje jaku apsorpciju i raspršenje svjetla, te ima višestruku primjenu u senzorima, fotovoltaici, medicini i telekomunikacijama. Filmove s metalnim nanočesticama izrađujemo u našem uređaju za depoziciju. Mijenjanjem uvjeta depozicije možemo mijenjati SPR ovih filmova. (slika 2, ref. [1]).

Površinski plazmoni u metalnim nanočesticama

Slika 1. Površinski plazmoni u metalnim nanočesticama

Filmovi s metalnim otočićima izrađeni u različitim uvjetima

Slika 2. Filmovi s metalnim otočićima izrađeni u različitim uvjetima

Karakterizacija

Karakterizaciju optičkih svojstava uzoraka radimo u ultraljubičastom, vidljivom i bliskom infracrvenom području neinvazivnim metodama (spektrofotometrija, spektroskopska elipsometrija). Također koristimo i fototermalnu defleksijsku spektroskopiju kako bi odredili prisutnost vrlo malih apsorpcija. Analiza izmjerenih podataka uključuje izradu modela, prilagođavanje parametara modela izmjerenim podatcima, te određivanje optičkih konstanti materijala (slika 3, ref. [2]).Da bi se odredila morfološka svojstva filmova, kao što su veličina i oblik klastera u filmovima s metalnim otočićima, koriste se tehnike za strukturnu karakterizaciju. Rezultati morfoloških istraživanja su u korelaciji s optičkim mjerenjima. 

Analiza elipsometrijskih mjerenja: model uzorka, prilagodba i optičke konstante

Slika 3. Analiza elipsometrijskih mjerenja: model uzorka, prilagodba i optičke konstante

Numeričke simulacije

Numeričke simulacije se koriste za opisivanje fundamentalnih svojstava rezonancije površinskih plazmona, kao što je pojačavanje elektromagnetskog polja (slika 4). Kako bi protumačili optičko ponašanje naših uzoraka, analitički i numerički proučavamo i efektivni optički odziv kompozitnih sistema (ref.[3-5]).

Numeričke simulacije: pojačavanje elektromagnetskog polja djelovanjem plazmona

Slika 4. Numeričke simulacije: pojačavanje elektromagnetskog polja djelovanjem plazmona

Dizajn novih optičkih višeslojnih struktura

Teorijski smo pokazali i eksperimentalno dokazali da višeslojne strukture koje sadrže filmove s metalnim otočićima (slika 5) mogu imati značajne prednosti za različite primjene, u odnosu na klasične višeslojne sisteme (ref.[6, 7]).

Optički višeslojni sistem s filmom metalnih otočića

Slika 5. Optički višeslojni sistem s filmom metalnih otočića

Fotoničke strukture

Fotoničke strukture izrađujemo metodom razlaganja metalnih nanočestica potpomognutim električnim poljem. Primjena intenzivnog električnog polja i umjereno povišene temperature omogućuje preslikavanje dvodimenzionalnih uzoraka u višeslojne strukture (slika 6, ref.[8]). Na ovaj se način mogu izraditi trodimenzionalne fotoničke strukture s plazmoničkim svojstvima (ref.[9]). 

Trodimenzionalna optička struktura

Slika 6. Trodimenzionalna optička struktura

Reference

[1] M. Lončarić et al. Vacuum. 84 (2009) , 1; 188-192
[2] M. Lončarić et al.  Thin Solid Films. 519 (2011) ; 2946-2950
[3] J. Sancho-Parramon et al. Opt. Express. 18 (2010),26, 26915
[4] J. Sancho-Parramon. Nanotechnology. 20 (2009) , 23; 235706
[5] J. Sancho-Parramon. Journal of Physics D - Applied Physics. 41 (2008) , 21; 215304-1-215304-7
[6] H. Zorc  et al. Applied optics 50 (2011) , C364-C367
[7] V. Janicki et al. Applied Optics 50 (2011) C228-C231
[8] J. Sancho-Parramon et al . Applied  Physics Letters. 92 (2008) 163108
[9] V. Janicki et al. Applied physics. B, Lasers and optics. 98 (2010) 93-98