Study of Ag/TiO2 and SiO2/TiO2 photonic crystals for electro-optic switching

Photonic crystals (PCs) are materials composed of an alternation of refractive index domains repeating periodically along 1-2 or 3 dimensions. In particular, 1-dimensional photonic crystals (1-D PCs) are equivalent to stratified materials with a regular layer alternation along the piling direction. These piles have normally are constituted by transparent dielectrics and show radically different optical properties with respect to bulk single layer materials. Light propagation within these materials resembles electron propagation into periodic potential arrays. Hence, as for electrons, dielectric constant periodicity creates a range of energy states that are not accessible for light propagation and this affects material colour appearance. This colouring technique is called structural colour and it can improve common chemical techniques, giving very attractive perspectives for technology implementations. 1-D PCs structural quality is highly determined by stack deposition techniques and conditions. Spin coating offers a trade-off between structure quality and cost and is very efficient for colloidal solution deposition. A new frontier for this type of devices involves controlled tuning of colour appearance though external stimuli, such as voltage. These devices are called Responsive Photonic Crystals (RPCs) and can be realized either using stimulus responsive materials as building blocks or by LC infiltration. Voltage and magnetic field are the easiest stimuli that can achieve easy photonic tunability providing novel application perspectives, such as in LCDs. In this work, I make a confrontation between these two methodologies to produce RPCs, analysing Ag-nanoparticles/TiO2 and SiO2/TiO2 stack alternations. I show how AgNP/TiO2 colloidal PCs can offer relevant colour tunability using voltage, thanks to its coupled plasmonic-photonic crystal properties. I obtained a shift of 10 nm applying 10 V, which is a considerable shift if compared with literature results for this type of solid-state RPCs. Hence, I performed LC’s infiltration on SiO2/TiO2 photonic crystals showing that both methodologies have a similar colour tunability range, whereas the first should be preferred. Finally, I outline future perspectives and the type of researches that have to be performed in order to synthetize efficient RPCs, using the methodologies I propose. The main application goal for this research would be the realization of solid-state and low energy consumption displays that can substitute current LCD technology, solving the problem of screen back illumination.

I cristalli fotonici sono materiali costituiti da una modulazione periodica di domini con diverso indice di rifrazione che si ripete in una, due oppure tre dimensioni. I cristalli monodimensionali sono materiali stratificati solitamente composti da alternanze di strati, solitamente dielettrici, di diversa natura, che interagiscono differentemente con la luce. La fisica di questi materiali mostra che il comportamento della radiazione elettromagnetica in questi sistemi presenta molte analogie con quello degli elettroni in un potenziale periodico. Quindi, come nei materiali cristallini, avviene la separazione di stati energetici accessibili per a propagazione della luce e non accessibili in cui la radiazione non viaggia all’interno del materiale. La luce corrispondente alle lunghezze d’onda “vietate” viene pertanto diffratta dando luogo alle interessanti proprietà ottiche di questi materiali. Il colore assunto dai cristalli fotonici è detto colore strutturale e presenta numerosi vantaggi rispetto a quelli ottenuti chimicamente, garantendo per questi materiali un gran numero di prospettive di applicazione. Una delle frontiere per questo tipo di materiali è la costruzione di cristalli responsivi, in cui il colore può essere modulato agendo sulla loro struttura con diversi stimoli. Nei cristalli fotonici assemblati a partire da colloidi il picco di diffrazione del cristallo si accompagna ad un picco di natura plasmonica, entrambi sensibili a stimoli elettrici. In questo lavoro di tesi si approfondisce la sensibilità al voltaggio di cristalli fotonici responsivi di questa tipologia costituiti da Ag-nanoparticles (AgNPs) e TiO2. Lo spin coating è una tecnica efficiente per l’assembramento di cristalli fotonici di questa tipologia, in quanto permette di depositare strati di buona qualità anche di colloidi a costi contenuti. In secondo luogo si paragona questa tipologia di cristalli con quelli costituiti da SiO2 e TiO2 e infiltrati con cristalli liquidi (miscela E7). Questa seconda categoria di cristalli invece sfrutta la variazione di indice di rifrazione dei cristalli liquidi quando questi vengono orientati attraverso una stimolazione elettrica. I Cristalli fotonici sensibili al voltaggio stimolano interesse, per esempio, nel campo dei display dove permetterebbero di ridurre il consumo energetico dovuto alla retroilluminazione. In lavoro si struttura in 4 parti. La prima parte è una descrizione circostanziata riguardante i cristalli fotonici centrata sulla loro interazione con la luce, partendo da quelli più comuni costituiti da pile di dielettrici fino a quelli meno comuni metallo-dielettrici. Di questi ultimi vengono approfonditi quelli fabbricati a partire da colloidi in cui le caratteristiche plasmoniche si aggiungono a quelle proprie del materiale. Quindi si introducono i cristalli fotonici responsivi, i loro principali meccanismi di funzionamento e il tipo di applicazioni per cui possono essere impiegati. Un approfondimento particolare è dedicato al campo dei display, per fornire al lettore una prospettiva di applicazione dei dispositivi che propongo. Nella seconda parte approfondisco i materiali e le procedure sperimentali utilizzate nello svolgimento del mio lavoro. La parte riguardante le procedure sperimentali riporta in aggiunta i risultati spettrofotometrici ottenuti per singoli strati di materiali, utilizzati come calibrazione e verifica delle procedure. Alla fine della seconda parte vengono illustrate le modalità di preparazione dei campioni sia di AgNP/TiO2 che di SiO2/TiO2. Nella terza parte principalmente si forniscono i risultati della caratterizzazione dei cristalli di AgNP e TiO2. La caratterizzazione angolare è stata effettuata per distinguere i contributi derivanti dall’assorbimento plasmonico dal bandgap fotonico ed è supportata dagli esperimenti di pump-probe, che si sono rivelati più efficaci. Nelle prove di voltaggio è stato ottenuto per questi cristalli uno spostamento dei picchi di circa 10 nm applicando 10 V, risultato interessante se paragonato con la letteratura scientifica. A supporto di questa analisi è stato sviluppato un modello in MATLAB che per la posizione e lo spostamento dei picchi fornisce risultati simili a quelli sperimentali. Quindi i risultati ottenuti per questa tipologia di cristalli fotonici sono paragonati con quelli di SiO2 e TiO2 infiltrati con cristali liquidi. Questa seconda tipologia di cristalli mostra una paragonabile sensibilità al voltaggio ma verifica problemi di scintillazione probabilmente dovuti alla natura dell’ossido di titanio. Infine vengono descritte le prospettive future di questo tipo di ricerca, mettendo in risalto l’dea di realizzare cristalli di WO3-x e TiO2 che migliorerebbero notevolmente le performance di questi dispositivi. Nell’appendice vengono riportati gli algoritmi MATLAB impiegati nelle simulazioni e i tentativi effettuati per la dispersione di nanoparticelle di WO3-x e argento. Questi tentativi sono stati riportati perché, oltre ad far parte del lavoro sperimentale svolto, sono importanti per gli sviluppi di questa ricerca e, a più lungo termine, per l’implementazione di questi dispositivi nel mondo della tecnologia.