Via Campi Flegrei, 34 - Comprensorio "A. Olivetti" - Building 70 - I-80078 Pozzuoli (NA) Tel. (+ 39 81) 867 5111 - Fax: (+ 39 81) 8042519

CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE

ISTITUTO DI SCIENZE APPLICATE

E SISTEMI INTELLIGENTI “E. CAIANIELLO” 80078 POZZUOLI (NAPOLI) ITALY

Da: Dr. Massimo Rippa Istituto di Scienze Applicate e Sistemi

Intelligenti “E. Caianiello” - CNR Via Campi Flegrei, 34 80078 Pozzuoli

A : Ufficio Relazioni Europee Internazionali - Relazioni Internazionali:

P.le Aldo Moro, 7 00185 Roma

Relazione Scientifica relativa all’attività di ricerca svolta nel programma Short Term

Mobility - STM 2015 ammesso al finanziamento dal Consiglio Nazionale delle Ricerche –

CNR con lettera di accettazione prot. AMMCNT – CNR n. 0057743 del 31/08/2015.

Oggetto: Report dell’attività di ricerca dal titolo: “Design of Localized Surface Plasmon Resonance Nanosensors based on Metamaterials for Biological and Environmental Analytes Detection” realizzata dal Dr. Massimo Rippa presso l’Institute of Photonics, Faculty of Science, Ningbo University - Ningbo (China).

2

1. Introduzione

Nella presente relazione scientifica viene descritta l’attività di ricerca svolta nell’ambito del

programma di Short Term Mobility (STM – 2015) dal titolo “Design of Localized Surface Plasmon

Resonance Nanosensors based on Metamaterials for Biological and Environmental Analytes

Detection“ ammesso al finanziamento dal Consiglio Nazionale delle Ricerche – CNR con lettera di

accettazione prot. AMMCNT – CNR n. 0057743 del 31/08/2015. Il programma è stato svolto dal

Dr. Massimo Rippa, Ricercatore (livello III) afferente all’Istituto di Scienze Applicate e Sistemi

Intelligenti “E. Caianiello” ISASI-CNR nel periodo compreso tra il 27/11/2015 e il 18/12/2015

(date di partenza e di rientro dalla missione) presso l’Institute of Photonics, Faculty of Science,

Ningbo University - Ningbo (China) sotto la supervisione del Prof. Jun Zhou capo dell’istituto.

Di seguito viene riportata una sintesi dell’attività svolta riguardante in particolare, la progettazione,

la fabbricazione e la caratterizzazione sperimentale sia morfologica che ottica, di nanostrutture

plasmoniche a-periodiche metamateriali da utilizzare come biosensori molecolari basati su

Risonanze Plasmoniche di Superfice Localizzate (LSPR).

2. Simulazioni numeriche di strutture a-periodiche nanometriche

Le nanostrutture plasmoniche oggetto dello studio sono state progettate mediante analisi numerica

realizzata con programmi di calcolo home-made e commerciali. Attraverso tale analisi, allo scopo

di massimizzare la sensibilità del segnale LSPR rilevato, sono state calcolate e studiate le

distribuzioni di campo vicino e le geometrie dei pattern sono state ottimizzate in modo opportuno.

2.1 Multistrato utilizzato

Nelle simulazioni, per tutte le tipologie di strutture, è stato preso in considerazione uno stesso

multistrato costituito da un substrato di vetro (BK7), uno strato sottile di materiale conduttore

(Indium Tin Oxide – ITO) ed un arrangiamento di colonnine di oro a formare i pattern nanometrici

via via da analizzare. In fig. 1 viene mostrato uno schema del multistrato preso in considerazione

nelle simulazioni.

Fig. 1: Schema del multistrato utilizzato nelle simulazioni.

ORO

ITO

BK7

3

In particolare, nel calcolo numerico, è stato fissato per le colonnine di oro un altezza di 50 nm, per

lo strato di l’ITO di 25 nm, mentre aria e vetro, rispettivamente substrato e cover del multistrato,

sono stati considerati di spessore infinito. Tali valori sono stati mantenuti costanti nell’arco di tutte

le simulazioni di seguito presentate e, come si è evidenziato attraverso alcuni test preliminari svolti,

una loro variazione fino a circa il 10-15 % dei valori indicati non incide in modo significativo sul

comportamento ottico-plasmonico simulato dalle singole strutture.

2.2 Procedure di calcolo: RSoft software

Le simulazioni sono state eseguite impiegando tool del software commerciale R-Soft Design Group

Ossining, NY – in dotazione dell’Istituto di Fotonica dell’Università di Ningbo, come di seguito

descritto. In particolare il software presenta un opportuno programma di CAD che consente di

disegnare e modellizzare dispositivi inserendo le informazioni principali per la definizione della

struttura da analizzare: proprietà fisiche dei materiali e caratteristiche geometriche del dispositivo

plasmonico. Lo stesso modulo di CAD agisce come programma di controllo per i tool di

simulazione a disposizione del software. Al fine di analizzare il loro comportamento ottico-

plasmonico, su tutte le strutture realizzate col CAD, è stata simulata la distribuzione di campo

vicino (near-field) le cui proprietà, come ben noto, condizionano e determinano le prestazione

spettroscopiche e sensoristiche dei dispositivi considerati.

Le simulazioni sono state eseguite impiegando il tool FullWAVE che fa uso del metodo delle

differenze finite nel dominio del tempo (Finite Difference Time Domain – FDTD). Tale metodo

risulta ideale per lo studio dell’interazione della luce in una grande varietà di dispositivi integrati

ottici, specialmente in situazioni dove l’applicazione di metodi che fanno uso della propagazione di

fasci non consentono soluzioni adeguate. Esso scaturisce da una rigorosa soluzione dell’equazioni

di Maxwell e non presenta particolari approssimazioni o restrizioni teoriche.

4

2.3 Metamateriali a-periodici considerati.

Al fine di ottenere strutture plasmoniche nanometriche con elevata sensibilità spettrofotometrica è

stata presa in esame una geometria a-periodica nota in letteratura come pattern Thue-Morse (TM).

Tali pattern si generano attraverso l’utilizzo di una regola iterativa inflattiva basata su due elementi

di base, che consente la realizzazione di nanostrutture con differenti ordini n di ripetizione (Mn) e

dimensioni. In particolare sono stati presi in considerazione geometrie metamateriali TM con tre

diverse forme delle colonnine di base: circolari, quadrate e triangolari. In figura 2 viene mostrato

uno schema delle tre geometrie adottate ed in particolare con a e d vengono indicati i parametri

morfologici caratteristici delle strutture.

Fig. 2: Geometrie PQCs considerate nelle simulazioni: A) TM circolari, B) TM quadrati e C) TM triangolari. Con a e d vengono indicati i parametri caratteristici dei pattern.

In particolare in tabella 1 vengono riportate i pattern presi in considerazione con i relativi parametri

caratteristici.

Per il calcolo delle distribuzioni di campo vicino mediante metodo FDTD sono stati presi in esame

pattern di ordine 4 (M4) che, come descritto in letteratura, sono sufficienti a simulare e

rappresentare il comportamento ottico-plasmonico dell’intera struttura. Il dominio di calcolo è

corrispondente ad una cella elementare di circa 4x4 micron della struttura. Sono state quindi

utilizzate condizioni al contorno lungo gli assi x, y e z del tipo PML (Perfectly Matched Layer) che

consentono di evitare risonanze spurie dovute a riflessioni all’interno del multistrato non reali. Per i

parametri numerici, in tutte le simulazioni si è utilizzato una griglia suddivisa in step spaziali pari a

∆x=∆z=∆y=5 nm. Lo step temporale è stato fissato al valore ∆t=10-3 µm (in unità di cT) in modo

tale da consentire il rispetto del limite di stabilità necessario per ottenere soluzioni numeriche stabili

e convergenti. Per i materiali sono stati utilizzati i seguenti indici di rifrazione naria =1, nbk7 = 1.51,

nito=1.78 mentre l’oro è stato modellato usando i parametri di Drude. Le simulazioni sono state

5

eseguite eccitando le strutture mediante l’utilizzo di una sorgente laser di tipo gaussiana con

lunghezza d’onda di 785 nm polarizzata nel piano delle colonnine di oro sia in direzione x (TE) che

z (TM). La direzione di propagazione della sorgente è stata fissata coincidente con l’asse y e

perpendicolare quindi al piano contenente le colonnine. Di seguito vengono riportate, per ogni

pattern preso in considerazione, le distribuzioni di campo vicino relative alla componente Ex del

campo elettrico ottenuta con polarizzazione TE e alla componente Ez dello stesso campo ottenuta

con polarizzazione TM .

Tab 1: Geometrie dei pattern metamateriali di tipo Thue-Morse considerati per le simulazioni.

PATTERN a (nm) d (nm)

Thue Morse - Circolari

265

185

Thue Morse - Quadrati

265

185

Thue Morse - Triangolari

265

185

6

Fig. 3: Simulazioni relative alla distribuzione di campo vicino per la struttura Thue-Morse con colonnine quadrate e con parametri a=265nm e d=185 nm: A) Pattern utilizzato per le simulazioni, B) Componente del campo elettrico Ex ottenuta con polarizzazione della luce incidente TE, C) Componente del campo elettrico Ez ottenuta con polarizzazione della luce incidente TM.

C

B

A Pattern = Thue-Morse Quadrati a = 265 nm d = 185 nm

7

Fig. 4: Simulazioni relative alla distribuzione di campo vicino per la struttura Thue-Morse con colonnine triangolari e con parametri a=265nm e d=185 nm: A) Pattern utilizzato per le simulazioni, B) Componente del campo elettrico Ex ottenuta con polarizzazione della luce incidente TE, C) Componente del campo elettrico Ez ottenuta con polarizzazione della luce incidente TM.

C

B

A Pattern = Thue-Morse Triangolari a = 265 nm d = 185 nm

8

V

Fig. 5: Simulazioni relative alla distribuzione di campo vicino per la Thue-Morse con colonnine circolari e con parametri a=265nm e d=185 nm:: A) Pattern utilizzato per le simulazioni, B) Componente del campo elettrico Ex ottenuta con polarizzazione della luce incidente TE, C) Componente del campo elettrico Ez ottenuta con polarizzazione della luce incidente TM.

B

A Pattern = Thue-Morse Circolare a = 265 nm d = 185 nm

9

3. Fabbricazione mediante tecnica litografica a fascio elettronico (EBL)

Per la fabbricazione dei pattern Thue-Morse nanometrici è stata impiegata la tecnica litografica a

fascio elettronico (Electron Beam Lithography – EBL) che consente la realizzazione di strutture

fotoniche integrate altamente riproducibili e con risoluzione estremamente elevata. In sintesi, la

tecnica consiste nella scansione, con un fascio di elettroni, della superficie di un substrato su cui è

stato depositato un film sottile di materiale sensibile agli stessi elettroni, detto resist. La scansione

comporta una deposizione di energia nelle regioni esposte del polimero. In funzione della tipologia

di resist adottato, tale deposizione di energia rompe i legami chimici (resist positivo) o, al contrario,

porta alla reticolazione le parti esposte al fascio (resist negativo). Un successivo processo di

sviluppo va ad asportare o le zone illuminate (resist positivo) o, viceversa, quelle non raggiunte dal

fascio (resist negativo). L’utilizzo dell’una o dell’altra tipologia di resist dipende esclusivamente

dalle specifiche esigenze di fabbricazione. Utilizzando scansioni programmate, gestite da un

apposito software, risulta così possibile imprimere nel resist impiegato un qualsiasi pattern con

geometrie e dimensioni (micro\nano-metriche) desiderate.

Per il processo di fabbricazione è stato utilizzato Il sistema RAITH 150, una facitlity costituita da

una colonna SEM Leo che consente tensioni di accelerazione per il fascio variabili da 1-30 keV, un

diametro minimo dello spot di circa 3 nm a basse correnti e una risoluzione litografica inferiore ai

20 nm. In fig. 6 viene mostrata un immagine del sistema adoperato.

Fig. 6: Sistema EBL RAITH 150 utilizzato per la fabbricazione delle nanostrutture.

Le strutture sono state realizzate utilizzando un substrato commerciale (Sigma-Aldrich) di vetro

(BK7) dello spessore di 1 mm, ricoperto da uno film sottile di materiale conduttore (Indium Tin

Oxide – ITO) dello spessore di 25 nm. Sul substrato, mediante tecnica di spin-coating, è stato

depositato un film polimerico (stirene metil-acrilato – ZEP 520, resit positivo) dello spessore di

200 nm sopra al quale sono stati realizzati, con tecnica EBL, i diversi pattern nanometrici presi in

10

considerazione. Successivamente, sulle strutture, mediante un processo di evaporazione termica, è

stato depositato un film d’oro dello spessore di 50 nm. Infine, come ultimo step è stato effettuato

un attacco chimico (lift-off) per rimovere definitivamente il resist dal substrato, lasciando la sola

nanostrutturazione fatta di colonnine di oro. Le fasi successive effettuate nel processo di

fabbricazione sono illustrate in fig. 7.

Fig. 7: Fasi del processo di fabbricazione per la realizzazione delle nanostrutture plamoniche

I materiali e le geometrie adoperate per la fabbricazione delle nanostrutture sono state scelte

tenendo in considerazione i risultati ottenuti dalle simulazioni realizzate in fase di progettazione.

Le caratteristiche geometriche delle diverse strutture Thue-Morse fabbricate sono riassunte in tab. 1.

SPIN COATING ESPOSIZIONE EBL

SVILUPPO

DEPOSIZIONE LIFT-OFF

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4. Caratterizzazione sperimentale ottica e morfologica delle nanostrutture

Le nanostrutture fabbricate sono state caratterizzate sia morfologicamente che otticamente. Dal

punto di vista morfologico, le strutture sono state analizzate attraverso l’uso sia della microscopia a

scansione elettronica (SEM) che attraverso l’impiego della microscopia a forza atomica (AFM).

I’analisi SEM consente l’acquisizione di immagini ad alta risoluzione ed elevata profondità di

campo permettendo una veloce visualizzazione bi-dimensionale di grandi aree del pattern sotto

esame con differenti possibilità d’ingrandimento. L’analisi AFM consente di acquisire immagini

con risoluzione di pochi nanometri e permette di analizzare un profilo della strutture

tri-dimensionale. Una volta acquisite le immagini i software a diposizione ad entrambe le facility

conentono di eseguire una completa indagine metrologica. Per l’analisi SEM è stato utilizzato il

sistema integrato nella facility EBL RAITH 150, mentre sia l’indagine AFM sono state effettuate

attraverso l’impiego del sistema di analisi NT-MDT NTEGRA Spectra in dotazione dell’Istituto di

Fotonica dell’Università di Ningbo e mostrato in fig. 8.

Fig. 8: Sistema NT-MDT NTEGRA Spectra in dotazione dell’Istituto di Fotonica dell’Università di Ningbo (Cina).

Le proprietà ottiche in campo lontano sono state invece studiate mediante un set-up sperimentale

realizzato su banco ottico che consente di effettuare un analisi spettrale delle nanostrutture e

valutare le risonanze plasmoniche localizzate che le caratterizzano. In particolare, misurando lo

shift spettrale mostrato dal picco di tali risonanze al variare dell’indice di rifrazione di diversi mezzi

(aria, acque a anisole) utilizzati come probe si è pervenuti ad una stima della sensibilità

caratterizzante le strutture in nm /RIU. In fig. 9 viene mostrata il set-up ottico realizzato. Nel set-up

12

è stato utilizzato lo spettroradiometro USB4000 - Ocean Optics che consente di ottenere

informazioni spettrali delle nanostrutture indagate con elevata risoluzione.

Fig. 9: Set-up ottico utilizzato per l’analisi spettrale in campo lontano

Di seguito, in 3 distinte schede, vengono riportati i risultati sperimentali ottenuti sulle strutture

Thue-Morse fabbricate. In particolare, nelle figure B, delle schede vengono riportati i rispettivi

valori di sensibilità m stimati.

13

A B

D C

Fig. 10: Misure relative alla struttura Thue-Morse con singoli elementi quadrati: A) spettro di estinzione in campo lontano misurato in aria,con acqua e con anisole, B) Andamento del picco delle risonanze presenti in A rispetto alla variazione di indice di rifrazione , C) Immagine SEM, D) Immagine AFM.

Thue Morse - Quadrati

400 500 600 700 800 900 100030

40

50

60

70

80

90Thue-Morse Quadrati

Air Water Anisol

949898818

Wavelength (nm)

Ext

inct

ion

%

1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6800

820

840

860

880

900

920

940

960

Pea

k w

avel

engt

h (n

m)

Refractive Index

Thue-Morse Quadrati

m= 255 ± 5 nm/RIU

14

A B

D C

Fig. 11: Misure relative alla struttura Thue-Morse con singoli elementi triangolari: A) spettro di estinzione in campo lontano misurato in aria,con acqua e con anisole, B) Andamento del picco delle risonanze presenti in A rispetto alla variazione di indice di rifrazione , C) Immagine SEM, D) Immagine AFM.

Thue-Morse Triangolari

400 500 600 700 800 900 10000

10

20

30

40

50

60 815784717

Wavelength (nm)

Ext

inct

ion

%

Thue-Morse Triangolari

Air Water Anisol

1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6660

680

700

720

740

760

Thue-Morse Triangolari

m= 165 ± 10 nm/RIU

Refractive Index

Pea

k w

avel

engt

h (n

m)

15

A B

D C

Fig. 12: Misure relative alla struttura Thue-Morse con singoli elementi circolari: A) spettro di estinzione in campo lontano misurato in aria,con acqua e con anisole, B) Andamento del picco delle risonanze presenti in A rispetto alla variazione di indice di rifrazione , C) Immagine SEM, D) Immagine AFM.

Thue-Morse Circolari

400 500 600 700 800 900 100020

30

40

50

60

70

80 Thue-Morse Circolari

Air Water Anisol

868828763

Wavelength (nm)

Ext

inct

ion

%

1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6780

800

820

840

860

880

900

920

Refractive Index

Pea

k w

avel

engt

h (n

m)

Thue-Morse Circolari

m= 225 ± 15 nm/RIU

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A B

700 720 740 760 7800

20

40

60

80

100

120

Thiram concentrations

Air

10-9 M

10-8 M

10-7 M

10-6 M

10-5 M

Idϕ/

dλI

Wavelength (nm)

A B

5. Valutazione del limite di rilevabilità (LOD) del Thiram mediante sensori LSPR

Le nanostrutture plasmoniche studiate e caratterizzate sono state utilizzate come biosensori molecolari di

tipo LSPR per valutare il limite di rilevabilità di un pesticida, il Thiram (C6H12N2S4), utilizzato in diverse

coltivazioni agricole e che disperso in acqua risulta particolarmente tossico sia per l’uomo che per diverse

specie acquatiche. In particolare, presso il laboratorio di ottica dell’Istituto di Fotonica dell’Università di

Ningbo, sono state analizzate diverse concentrazioni del pesticita disciolto in acqua mediante un set-up

ottico basato su interrogazione di fase di cui viene mostrato una rappresentazione schematica in fig. 13b.

Fig. 13: A) Rappresentazione della molecola di Thiram, B) Set-up ottico basato su

interrogazione di fase utilizzato per la valutazione del LOD.

In fig. 14 vengono mostrate le risonanze plasmoniche (A) e l’andamento dei picchi (B) di quest’ultime

rispetto alla concentrazione del pesticida, misurati utilizzando come sensore la struttura Thue-Morse con

elementi triangolari.

Fig. 14: A) Risonanze plasmoniche di diverse concentrazioni di Thiram misurate con set-up ottico ad interrogazione di fase,

B) Andamento del picco delle risonanze rispetto alla concentrazione del pesticida in acqua.

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In particolare in fig. 14 si evidenzia come con i sensori realizzati sia possibile ottenere, per la rilevazione

del pesticida oggetto d’esame, una LOD di 1 nM. Questo primo risultato, risulta di particolare interesse

alla luce del fatto che la LOD misurata risulta essere molto inferiore rispetto al minimo limite di

rilevabilità di 7 ppm indicato dalla U.S. Environmental Protection Agency (EPA) per l’analisi di qualità

della frutta.

6. Conclusioni

Nel presente programma di ricerca svoltosi presso l’Istituto di Fotonica dell’Università di Ningbo,

nanostrutture plasmoniche basate su pattern a-periodici metamateriali sono state progettate ed

ingegnerizzate per applicazioni sensoristiche. I pattern fabbricati con tecnica EBL sono stati

morfologicamente ed otticamente caratterizzati con diverse tecniche. La loro sensibilità è stata valutata e

il loro impiego come biosensori è stato testato utilizzando come molecola probe un pesticida (Thiram)

diluito in acqua in diverse concentrazioni. Una LOD di 1 nM è stata dimostrata ed i risultati ottenuti,

opportunamente rivisti ed analizzati, daranno vita nei prossimi mesi ad una pubblicazione su una rivista

scientifica internazionale.

Data …27/01/2016.. Firma ………………………………………