Sviluppo e caratterizzazione di componenti optoelettronici con

proprietà fotoemissive e nonlineari

Stefano Sottini I RicercatoreEmilia Giorgetti RicercatriceGiancarlo Margheri RicercatoreSilvana Trigari RicercatriceTommaso del Rosso Dottorando

Olografia 1965-1976♦ Ologrammi di volume / Lippman-Bragg♦ Filtri olografici♦ Ologrammi a microonde / Ricostruzione ottica♦ Interferometria e deblurring a microonde♦ Antenne olografiche♦ Photobleaching / Reticoli olografici (Appl. Opt. 1997)

Λ = 0.7 µm

Guide metalliche per laser a CO2 1981

♦ Dispositivo dimostratore lunghezza 1 m♦ Spessore guida 3 mm♦ Efficienza:

68% diritta 58% ψ = 90o

Propagazione in guida d’onda ottica 1970 - 2004

♦ Terminazioni speciali per fibre ottiche 1980 – 1989♦ Accoppiatori direzionali in fibra ottica 1995♦ Ottica geodetica 1971 – 2000♦ Propagazione whispering (Pure Appl. Opt. 1992, Opt.

Comm. 2000)♦ Fabbricazione e caratterizzazione di guide d’onda

dielettriche planari e a canale 1980 - 2004

Terminazioni speciali di fibre ottiche per applicazioni mediche

Fabbricazione e caratterizzazione di guide d’onda di:

vetro (scambio ionico);LiNbO3 (scambio protonico e diffusione del Ti);ibride vetro/film organico (spin coating, autoassemblaggio, Langmuir Blodgett);vetro sol-gel drogato con coloranti o molecole χ(2) (solo caratterizzazione)

Propagazione del modo fondamentale TE in una guida di vetro sol-gel a 1550 nm

Guide d’onda a canale con alcune strutture modali

Misure di non linearità del II e III ordine, anche in guida d’onda

Second Harmonic Generation

-15 -10 -5 0 5 10 15

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2 Solution data Solution fit Toluene data Toluene fit

<T>

Z (mm)

Z-scan(Opt. Comm., 2003)

- Two Wave Mixing

- Surface Plasmon Resonance

- Modulazione elettroottica

Modulatore elettroottico di LiNbO3

Dispositivi a ottica non lineare basati su film organici con proprietà del II o III ordine

Interruttore tutto ottico basato su film di poli3BCMU funzionante a 1064 nm

Modulatore elettro ottico basato su film LB di DCANP funzionante a 849 nm (APL 1998)

Attività in corsoQPM in LiNbO3 : fabbricazione di substrati PPLN e di dispositivi dimostratori in guida d’onda) (Progetto MIUR - FISR Sensori)Sensori biologici e OLED (Progetto bilaterale CNR-CONACyT Messico)Caratterizzazione guide sol-gel per χ(2) (Progetto UE ODEON)Studio di interfacce nano strutturate metallo/dielettrico (Progetto MIUR - FIRB):

Fabbricazione e caratterizzazione di nanostrutture metalliche complesse, funzionalizzate con materiali organicinon lineari o fotoemettitori. Tali strutture saranno tipicamente caratterizzate da PBG e/o da campi locali molto intensi per esaltare le proprietà ottiche del dielettrico.

Realizzazione e caratterizzazione di LED organici di materiali di nuova sintesi e studio dei meccanismi di degrado con tecniche di SurfaceEnhanced RamanScattering

Quasi Phase Matching (QPM ) per misure di temperatura

Surface Plasmon Resonance (SPR)

input beam reflected beam

angle44.5 45.0 45.5

refle

ctiv

ity0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

experimental data0.086 GW/cm2 0.13 GW/cm2

0.32 GW/cm2 Metal

Dielectric

Propagating surface plasmon

SPR application to nonlinear measurements

(JOSAB, 2003)

Sensore biologico con sistema SPR ad imaging (Progetto SERQUA)

Active area

_

+

cathode

anode

Al or Ag+AlOrganic film

ITOglass

typical OLED structure

SERS/AFM experiments on OLEDsITO/ITO/polypoly--3octyl3octyl--thiophenethiophene/Al/Al

•SERS signal increases with current flow until OLEDbreakdown•The increment is not reversible•AFM images confirm that current flow increases the roughnessat polymer/metal interface

(Appl. Phys B, 2004)

Attività prevista nel 2005 per il progetto FIRB

1. Sviluppo di modelli teorici: attivazione borsa post-docprevista all’inizio 2005

2. Microscopia AFM di nanostrutture (indagini topografiche e nanomanipolazione con strumento di recente acquisizione): borsa di dottorato da novembre 2004

4. Realizzazione di film monomolecolari di PDA con tecniche di self-assembling su substrati metallizzati e loro caratterizzazione

3. Studio sperimentale del bandgap fotonico su reticolicommerciali metallizzati e ad altissima risoluzione (3600 e 2400righe per mm) con tecniche di risonanza di plasma superficiale in configurazione Kretschmann

Self-Assembled Monolayers (SAM)tioli o disolfuriorganici

+ superficieAu o Ag

SAM

Applicazioni: SENSORIELETTRONICA MOLECOLAREOPTOELETTRONICALITOGRAFIA

SAM di PDA:

S S S

b

a

S S S

chν robusti

resistenti

proprietà ottiche ed elettroniche PDA

a ∼ c = 4.7÷5.2 Å

b = 3.4÷4.0 Å

Obbiettivi progetto FIRB 2004-2006

Sviluppo di strutture ibride metallo/dielettrico di tipo random e/o con bandgap fotonico (PBG) a frequenze ottiche e studio delle loro proprietà ottiche.

Deposizione di film luminescenti o NL su reticoli metallizzati e ad altissima risoluzione per osservare:

1. Variazioni nelle proprietà emissive indotte da bandgap

2. Variazioni della posizione e larghezza del bandgap con l’intensità (switch tutto-ottico)

Strutture ibride metallo/dielettrico con bandgap fotonico

Nel caso di strutture completamente dielettriche:si osserva un bandgap fotonico completo quando il contrasto tra costanti dielettriche δ ≥ 8;

la larghezza del gap è > 5% quando δ ≥ 12

1. la presenza del metallo rilassa notevolmente questi requisiti

⇓Strutture tridimensionali di nanosfere metalliche con comportamento di tipo Drude (p. es. Ag tra 300 e 600 nm) presentano un bandgap fotonico completo di ampiezza 10% anche in presenza di “host” dielettrici con ε ≈ 1.5 ÷ 3 (valori tipici per i materiali organici).

2. Gli effetti di campo locale all’interfaccia metallo/dielettrico permettono di intensificare numerosi processi (Raman, Kerr, fluorescenza..)

3. Nei dispositivi emettitori di luce, un’opportuna nanostruttura su uno degli elettrodi permette di modificare le proprietà emissive (spettro, polarizzazione, direzionalitàecc…) Scherer, IEEE JQE 2000

Le onde di plasma superficiale (SPW) all’interfaccia metallo/dielettricoforniscono un sistema “semplice” per lo studio di strutture PBG. Poichè le SPW sono legate all’interfaccia, una modulazione opportuna dell’interfaccia (p.es. un reticolo uni- o bi- dimensionale) può produrre un “bandgap” fotonico completoquando il vettore di Bragg del reticolo (2π/periodo) è il doppio del vettored’onda della SPW.

I risultati sperimentali sulla struttura mostrano l’esistenza di un “bandgap”nel visibile, indipendentemente dalla direzione di propagazione.

Film sottile di argento nanostrutturato, prodotto con tecniche olografiche su fotoresist e successiva metallizzazione.

La creazione di opportuni difetti nelle strutture precedenti permette:

1. la propagazione di SPW su percorsi predeterminati;

2. la realizzazione di curvatureestremamente elevate

3. e di strutture guidanti a sezione molto minore di quella consentita nell’ottica guidata tradizionale.

⇐ 738 nm

⇐ 833 nm

La deposizione di strati molecolari di spessore controllato (evaporazione o autoassemblaggio)

con proprietà nonlineari del III ordine può permettere un tuning del bandgap per effetto Kerr e quindi lo sviluppo di interruttori tutto-ottici funzionanti a bassa intensità, grazie alle proprietà di intensificazione degli effetti nonlineari all’interfaccia metallo/dielettrico;

con proprietà di luminescenza può permettere di manipolare le caratteristiche di emissione attraverso il bandgap

Strumentazione e facilities

Evaporatoree-gun

Evaporazione termica

Forno per la fabbricazione di guide d’ondaper indiffusione di titanio nel LiNbO3Mask-aligner

Sistema di poling elettrico ad elettrodo liquido

Esempi di substraticon poling

Laser Nd:YAG (20 ps,10 Hz ) ed amplificatore parametrico (680-2200 nm)

Stazione di misura AFMLaser 1550 nm ed EDFA

Altre sorgenti disponibili- Laser Ar-Kr (470-560 nm)

- Laser Nd:YLF diode pumped a 1321 nm CW-pulsato

- Laser diodo a 850 nm con uscita in fibra otticamultimodo

- Laser diodo a 670 nm con uscita in fibra otticamultimodo