Development and self - assembly of plasmonic particles for applications in molecular sensors

Abstract

The aim of the thesis was the study, development, formation by self-assembly and characterization of plasmonic nanostructures, namely nanoparticles of metals, and devices for optical and photonic applications. In particular, in this thesis, nanostructures of silver and gold nanoparticles were developed and studied on silicon substrates. The metal nanoparticles were developed by: (a) chemical methods such as Electroless Metal Deposition, a fast, reproducible and low-cost process, and (b) physical deposition methods, such as Magnetron Sputtering followed by a pulse laser annealing process, that enabled the degree of modification and self-assembly of nanoparticles of different sizes and distributions. The metal nanoparticles structures showed plasmonic behavior with the Local Surface Plasmon Resonance at frequencies covering the entire visible spectrum. The devices were successfully tested for their suitability in the detection and trapping of low concentration rhodamine molecules as Surface Enhanced Raman Scattering and Surface Enhanced Photoluminescence templates. Additionally, plasmonic nanostructures were developed on top of titanium oxide templates and their efficiency in photocatalytic detection and trapping of heavy metal ions such as manganese in aqueous solutions were tested. The results showed an enhancement of this process in order to be applied by using consumer LED lamps and in realistic detection time for industrial use.

Σκοπός της διατριβής ήταν η μελέτη, ανάπτυξη, μορφοποίηση με αυτό-οργάνωση και ο χαρακτηρισμός πλασμονικών νανοδομών, δηλαδή νανοσωματιδίων μετάλλων, και συσκευών για οπτικές και φωτονικές εφαρμογές. Συγκεκριμένα, στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύχθηκαν και μελετήθηκαν συστήματα νανοδομών από μεταλλικά νανοσωματίδια αργυρού και χρυσού ανεπτυγμένα πάνω σε υποστρώματα πυριτίου και τιτανίας. Η ανάπτυξη των μεταλλικών νανοσωματιδίων έγινε: (α) με χημικές μεθόδους όπως η Ηλεκτρολυτική Εναπόθεση Μετάλλου, μία γρήγορη και επαναλήψιμη χαμηλού κόστους διαδικασία, και (β) με φυσικές μεθόδους εναπόθεσης ατμών, όπως η Ιοντοβολή Εκκένωσης Αίγλης για την ανάπτυξη αρχικά λεπτών υμενίων μετάλλων και στην συνεχεία τον σχηματισμό των μεταλλικών νανοσωματιδίων με ανόπτηση με τη χρήση παλμικού λέιζερ, η οποία μας επέτρεψε να δημιουργήσουμε νανοσωματίδια διαφορετικών μεγεθών και κατανομών που εμφανίζουν το φαινόμενο του Τοπικού Επιφανειακού Πλασμονικού Συντονισμού σε συχνότητες που καλύπτουν όλο το φάσμα του ορατού φωτός. Οι πλασμονικές νανοδομές δοκιμάστηκαν επιτυχώς για την καταλληλότητα τους στην ανίχνευση και παγίδευση χαμηλής συγκέντρωσης μορίων ροδαμίνης ως υποστρώματα επιφανειακής ενίσχυσης σκέδασης Ράμαν μέσω της Φασματοσκοπίας Ράμαν και σε πειράματα Επιφανειακής Ενίσχυσης Φωταύγειας. Επιπροσθέτως, αναπτύχθηκαν πλασμονικές νανοδομές στην επιφάνεια τροποποιημένης τιτανίας και ελέγθηκε η απόδοσής τους στην φωτοκαταλυτική ανίχνευση και παγίδευση ιόντων βαρέων μετάλλων (ιόντων μαγγανίου), και επιτεύχθηκε η αύξηση της απόδοσης, ώστε η διαδικασία αυτή να επιτυγχάνεται με την χρήση απλών οικιακών λαμπτήρων τύπου φωτοδιόδου σε μικρό χρονικό διάστημα κατάλληλο για τη χρήση τους στη βιομηχανία.