Fabrication, Simulation and Characterization of Tunable Plasmonic Nano Antennas.

152 Pages·2014·9.12 MB·English

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Fabrication, simulation and
characterization of tunable
plasmonic nano antennas
Doctoral Thesis
Author(s):
Scholder, Olivier
Publication date:
2014
Permanent link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-010172052
Rights / license:
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Diss.ETHNo.21847
Fabrication, Simulation and
Characterization of Tunable Plasmonic
Nano Antennas.
Adissertationsubmittedto
ETHZURICH
for thedegreeof
Doctorof Sciences
presentedby
OLIVIER SCHOLDER
MscPhysETH Zürich
bornonSeptember21, 1983
citizenofZürich-Schweiz
acceptedontherecommendationof
Prof. Dr. Gian-LucaBona,examiner
Prof. Dr. ChristianHafner,co-examiner
Dr. UrsSennhauser,co-examiner
2014
ii
Abstract
Recently, theinteractionoflightwith metallicnanostructureshasbecomean areaof inten-
sive research dueto advances in modern fabricationtechniques. Uniqueeffects havebeen
observedinplasmonicnanostructuresandhavefoundtheirapplicationinvariousareaslike
in themanipulationof lightat thenanometerscale, in cloaking, in higherharmonicgener-
ation, in optical photolithography,in chirality control of light, as lasers, in biosensing, and
in surfaceenhancedRaman spectroscopy(SERS).Onlya few of theseresearch applications
havebeenimplementedincommercialdevicessofar.Oneofthemainreasonsforthisisthat
plasmonicresonancefrequenciesareextremelysensitivetofabricationinaccuracies. Fabri-
cationatthenanometerscaleisalwayssubjecttodefects,suchassurfaceroughness,corner
smoothing,implementationofimpuritieswhichhaveadirectimpactonplasmonresonance
frequencies.Simulationsusuallyuseperfectlyflatsurfaceswithhomogeneousmaterialsthus
associatedwith idealpropertiessuch as conductivityor refractiveindex. This creates a dis-
crepancybetweenthedesignofopticalantennasusingsimulationsandtheonesachievedin
laboratoryfabrication.
Opticalantennasareformedbyapairofnanoparticlesbroughtincloseproximity.Antennas
separated by small gaps create a high electric field enhancement in their gap region. This
propertycanbeexploitedforbiosensingorSERStoimprovethedetectionlimitandmeasure
thepresenceofsinglemolecules. Forthisitisnecessarytocreateantennaswithsufficiently
small gaps, to be ableto compensatefor thedefects created duringthe fabricationprocess
andreachantennacharacteristicsthatareclosetotheonespredictedbysimulations.
Inthisthesis,weperformedsimulationswiththecommercialfiniteelementmethodsoftware
COMSOL MULTIPHYSICS anditsradiofrequency(RF)moduleinordertostudythenear-field
andscatteringpropertiesofopticalantennaswithvariousgeometriesandtoinvestigatethe
dependencyoftheopticalresponseon theantennageometryparameters. Thesimulations
wereusedtodesignandvalidatetheopticalcharacteristicsoftheantennasproducedinthe
iii
iv Abstract
laboratory.
In order to reach a highfield enhancementwe fabricateddipoleantennaswithgap sizes in
the sub-5nmrange with a novel fabrication technique. This technique consists in creating
goldnanorodsbyelectronbeamlithographyandopeningagapinthemiddlebyheliumfo-
cusedionbeammilling. Thesmallestgapwewere abletoachievewas 3.5nm. Gapsizes of
5nmcouldbereachedinaveryreproduciblemanner.Thescatteredspectraoftheantennas
wereingoodagreementwithoursimulations. Theusedfabricationtechniquecreatedrede-
positions of substrate material which induced a shift of the resonance wavelength towards
theinfraredforantennaswithgapsizesbelow7nm.
In order to be able to tune the optical response of plasmonic antennas after their fabrica-
tion, we developed a process to fabricate bowtie antennas on a flexible, chemically stable
and transparentsubstrate(polydimethylsiloxane– PDMS). Thegap size of theantennacan
beadjustedbyapplyingastrainonthesubstrate,whichwillvarytheresonancewavelength
of the antenna. We demonstrated a resonance shift of -0.81nm per strain percent applied
tothesubstrate. Thefabricationtechniquewasfurtheroptimizedbyachievingantennason
PMMApillars.Inthiscaseweachievedaresonanceshiftofabout-3nmperstrainpercent.
TheRamanenhancementcapabilityofthefabricateddipoleantennaswastestedforthede-
tectionof brilliantcresyl bluemolecules. For technical reasons onlya homogeneousmole-
cule coating of thesubstratecould be achieved. A Raman enhancementof up to 4.5 for an
antennawithagapsizeof9nmwasobtained.SimulationsshowedthattheRamanenhance-
mentfactorwassensitivetotheilluminationbeamradiusaswellasthefocusingofthebeam
inthecenteroftheantenna. ARamanenhancementfactorbetween6and12wassimulated
forabeamradiusbetween700nmand500nm,respectively. Themeasuredvalueof4.5can
beachievedwithsimulationshavingadistanceof200nm–300nmbetweenthecenterofthe
antennaandthebeamcenter.ARamanenhancementfactorofabout103hasbeenestimated
bysimulationsforthepresenceofmoleculesonlyontheantenna. Thisvaluecanbefurther
increasedwithsmallergapsizesandamatchingilluminationsource.
We believe that the combination of simulations to achieve a good design of antennas with
thecapabilitytoreachsmallgapsizesandthepossibilitytotunetheresonancefrequencyof
theantennasbymechanicalstretchingofthesubstratecanleadtoverypromisingdevicesfor
sensitivebiosensingapplications.
Résumé
Récemment,l’interactionentrelalumièreetlesnano-structuresmétalliquesestdevenueun
domaine de recherche majeur dû à l’avancée technologique des méthodes de fabrication.
Deseffetsuniquesontétéobservésdansdesnano-structuresplasmoniquesetplusieursap-
plicationsontpuêtreréaliséesdansdesdomainesaussidiversquelamanipulationdelalu-
mièreàl’échelledunanomètre,lecloaking,lagénérationd’harmoniquesd’ordresupérieur,
laphotolithographieoptique,lecontrôledelachiralitédelalumière,leslasers,ladétection
debio-molécules,ou encoreladiffusionRamanexaltéepareffet desurface(SERS).Jusqu’à
présent,peudecesapplicationsontpuêtreimplémentéesdansdesproduitsindustriels,car
la fréquence de résonance plasmonique est très sensible aux imperfections. En effet, la fa-
bricationàl’échelledunanomètreimpliquelaprésenced’impuretés,derugositédesurface,
d’arrondissement des angles; des défauts inéluctables qui ont un impact direct sur la fré-
quencederésonanceplasmonique.
Pour des raisons techniques, les simulationseffectuées utilisentdes propriétésidéales, no-
tammenten termed’homogénéitédes matériaux,deconductivité,d’indexderéfraction ou
encorederugositédesurface.Or,ceciconduitàunedivergencesignificativeentrelemodèle
utilisédanslecadredessimulationsetlesantennesplasmoniquesfabriquéesenlaboratoire.
Lesantennesplasmoniquessontforméesparunepairedenano-particulesprochesl’unede
l’autre.Cetteproximitéproduisantunegrandeexaltationduchampélectriqueentrecelles-ci,
on peutexploitercettepropriétéafin d’identifierjusqu’à uneseulemoléculeprésentedans
l’intersticedel’antenne.Àcesfins,ilestnécessairedeproduiredesantennesavecdesinter-
sticessuffisammentpetits,d’êtrecapabledecompenserlesdéfautsintroduitslorsduproces-
susdefabricationetd’atteindredescaractéristiquesprochesdecellesobtenuesparsimula-
tion.
Danscettethèse,nousavonseffectuédessimulationsaveclelogicielCOMSOL MULTIPHYSICS
utilisantlaméthoded’élémentsfinis(FEM)etsonmodule«radiofréquence»(RF)afind’étu-
v
vi Résumé
dierlechampprocheetladiffusiondesantennesplasmoniquesayantdifférentesgéométries
et d’examinerladépendancedeleur réponseoptiqueen fonctionde leursparamètresgéo-
métriques.Lessimulationsontétéutiliséespourlaconceptionetlavalidationdespropriétés
optiquesd’antennesplasmoniquesproduitesenlaboratoire.
Afind’atteindreunegrandeexaltationduchampélectrique,nousavonsréalisé,grâceàune
nouvelletechniquedefabrication,desantennesdipôlesdontl’intersticeestinférieurà5nm.
Cettetechniqueconsisteenl’élaborationdenano-bâtonnetsd’orparlithographieàfaisceau
d’électrons et l’ouverture de l’interstice en son milieu par usinage avec une sonde ionique
focaliséed’hélium(He-FIB).Lafabricationd’unintersticede5nms’estavéréeaisémentre-
productibleavecunminimumde3.5nm.Lespectredediffusiondesantennesconcordeavec
nossimulations.Latechniquedefabricationemployéeacréédesredépositionsdematériaux
provenant du substrat qui ont induit un décalage de la longueur d’onde de résonance vers
l’infrarougepourlesantennesayantunintersticeinférieurà7nm.
Danslebutdepouvoirajusterlaréponseoptiquedesantennesplasmoniquesaprèsleurfa-
brication,nousavonsdéveloppéunprocessusdefabricationd’antennesbiconiques(bowtie)
surunsubstratflexible,chimiquementstableettransparent(polydiméthylsiloxane–PDMS).
Latailledel’intersticepeutêtreajustéeenappliquantunecontraintesurlesubstratpourfaire
varierla longueurd’ondederésonancedel’antenne.Nous avonsdémontréun décalagede
larésonancede-0.81nmparpourcentaged’élongationappliquéeausubstrat.Latechnique
de fabrication a été optimiséepar la dépositionde ces antennes sur des piliers de polymé-
thacrylatedeméthyle(PMMA).Aveccetteconfigurationnousavonsobtenuundécalagede
-3nmparpourcentaged’élongation.
Lepotentield’exaltationdediffusionRamandesantennesdipôlesfabriquéesaététestédans
la détectionde moléculesde bleu decrésyl brillant.Pour des raisons techniques,seuleune
couverturehomogènedusubstrataveccesmoléculesapuêtretestée.UneexaltationdeRa-
man jusqu’à un facteur de 4.5 pouruneantennedipôleavec un intersticede 9nma été at-
teinte. Les simulationsont démontréque ce facteur est sensible à la naturedu faisceau lu-
mineuxainsiqu’àlafocalisationdecedernieraveclecentredel’antenne.Unfacteurd’exal-
tation Raman de 6 à 12 a été simulé pour un rayon du faisceau entre, respectivement, 700
et 500nm.La valeur mesuréede 4.5 peut être simuléeavec une distancede 200-300nmdu
centredel’antenneàceluidufaisceau.Unfacteurd’environ10³aétéestiméparnossimu-
lations pour la présence de molécules uniquement sur l’antenne. Ce facteur peut être aug-
mentéavecdesécartspluspetitsetunesourced’illuminationenphaseaveclarésonancede
l’antenne.
Résumé vii
Nouspensonsquelacombinaisond’unbondesignd’antenneplasmoniqueàl’aidedesimu-
lationsaveclapossibilitéd’ajusterlafréquencederésonanceparunétirementmécaniquedu
substrat peut produire un dispositiftrès prometteur pour les applicationsdans le domaine
deladétectiondemolécules.

Table of contents
1 Introduction 1
2 Theoreticalbackgroundandsimulations 5
2.1 SurfacePlasmonPolariton(SPP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 LocalizedSurfacePlasmon(LSP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.1 Smallmetallicparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Couplednanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4 Dampingmechanismsinplasmonresonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.5 Quantumversusclassicalfieldtheory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.6 Wavelengthscalingandopticalantennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.7 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.7.1 Geometries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.7.2 BoundaryConditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.7.3 Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.7.4 Mesh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.7.5 Scatteredfieldintensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.7.6 Incidentelectromagneticfield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3 Methods 29
3.1 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
ix