Questo progetto propone uno studio teorico e sperimentale di metamateriali ibridi formati da nanostrutture plasmoniche su nanowire di GaAs per la realizzazione di dispositivi fotonici innovativi e relativi test nondistruttivi di controllo delle prestazioni mediante tecniche fototermiche e fotoacustiche, implementate nel laboratorio di tecniche fototermiche e fotoacustiche del Dipartimento di Scienze di Base ed Applicate per l'ingegneria.
I metamateriali da investigare sono nanofili dei semiconduttori III-V (NW) ibridati con nanostrutture plasmoniche di grande interesse per lo sviluppo di dispositivi fotonici ad alta efficienza, che sono e verranno realizzati dal Centro di Optoelettronica di Tampere per applicazioni come enantiometri della chiralità e come filtri ottici selettivi.
I nanofili di GaAs-AlGaAs-GaAs core-shell-supershell eventualmente ibridizzati con deposizione di strati nanometrici d'oro, presentano fenomeni di assorbimento risonante nel range delle lunghezze d'onda VIS/NIR (300nm, 1100nm) fortemente dipendente dalle dimensioni dei nanofili le cui dimensioni consentono l'accoppiamento della luce con i modi guidati dalla struttura. Questo accoppiamento si traduce in picchi di assorbimento risonante nel visibile e vicino IR chiaramente evidenziabile con la tecnica di spettroscopia fotoacustica.
Il progetto consiste in sintesi nella progettazione di queste nanostrutture , nella realizzazione di diversi campioni con diverse dimensioni dei nanowire e relative ibridizzazioni, e nella applicazione della tecnica fotoacustica come possibile test nondistruttivo per un semplice ed innovativo controllo di qualità.
Come sottolineato in precedenza, la ricerca scientifica nel campo della fotonica è da tempo rivolta realizzazione di nanowire di alta qualità in grado di confinare campi ottici migliorando la risposta elettromagnetica alla nanoscala. I modi confinati possono portare ad assorbimento risonante per specifiche lunghezze d'onda. Il fenomeno dell'assorbimento risonante ha applicazioni immediate nel campo dei fotorivelatori selettivi in lunghezza d¿onda [1], nei generatori di onde e.m. con momento angolare di spin , ma anche nel campo fotovoltaico [2-5], nel campo delle sorgenti luminose [6,7], per le guide d'onda [8], per i fotorivelatori [9,10]. In particolare, le celle solari con NW raggiungono efficienze fino al 15,3% attivando correnti tali da non provocare danneggiamenti del materiale [11]. I NW possono inoltre mostrare effetti di ottica non lineare utili per la generazione di seconda armonica [12]. L'ibridazione del dielettrico con strati metallici e/o nanostrutture offre una vasta gamma di nuove possibilità applicative come antenne yagi-uda [13] e laser plasmonico [14-15]. Sebbene le proprietà ottiche ed elettriche siano state ampiamente studiate e ben comprese, le tecniche di caratterizzazione sono di solito basate sulle misure indirette dell'assorbimento risonante mediante trasmissione/riflessione [17], fotocorrenti [18] o eccitazione di fotoluminescenza [19-21]. In alcuni recenti articoli si è proposto di applicare la tecnica fotoacustica per determinare l¿assorbimento per esempio in NWs di GaAsBi/GaAs [22], ma senza trovare comportamenti risonanti.
In questo progetto si propone di utilizzare la tecnica della spettroscopia fotoacustica (PAS) per studiare le proprietà di assorbimento in eterostrutture di GaAs-AlGa a NWS cresciute con tecnica di auto catalisi su pattern di Si/SiOx [23]. Le strutture in esame sono core-shell-supershell coassiali con sezione esagonale trasversale; lo schema di un singolo NW è mostrato nella figura.
I nanowire sono fatti di un nucleo di GaAs, circondato da un guscio sottile di AlGaAs, intorno al quale vi è un sottile superguscio di GaAs. Le dimensioni dei NWs fanno sì che tutta la struttura possa essere considerata un metamateriale 3D, pertanto le proprietà ottiche sono governate dall¿intero ensemble dei NWs.. L¿innovatività della ricerca è appunto nella rivelazione dell¿assorbimento risonante in queste strutture al variare dei parametri geometrici delle strutture stesse, con un metodo senza contatto che sfrutta l¿effetto fotoacustico.
Il risultato del progetto sarà quello di dimostrare che la tecnica PA può essere utilizzata come una tecnica di caratterizzazione semplice e affidabile per la misura dell¿assorbimento risonante nelle nanostrutture dovuto all'eccitazione di modi nelle strutture di NW di GaAs-AlGaAs-GaAs core-shell-supershell. Le evidenze dell¿assorbimento risonante verranno giustificate da una serie di simulazioni numeriche con il software Lumerical che permette il calcolo diretto dell¿assorbimento senza nessuna post-elaborazione del segnale.
La campagna di misure verrà effettuata su diversi campioni al variare dei parametri di fabbricazione D ed L per cambiare la lunghezza d¿onda alla quale avviene l¿assorbimento risonante; Ulteriore sforzo sarà dedicato ai miglioramenti specifici delle strutture di NW grazie ad una ibridizzazione asimmetrica con oro, tale da poter evidenziare effetti chirali.
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