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
11
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
16
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.
17
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 ………………………………………