All-dielectric metasurfaces fabrication for biosensing applications

Optical biosensors enable highly-sensitive real-time rapid diagnostics, which are crucial features of state-of-art healthcare systems. Specifically, plasmonic biosensors offer label-free detection. However, due the dissipative losses, plasmonic resonance modes suffer from resonance broadening and their fabrication is not compatible with complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) technologies hindering low-cost manufacturing, which is necessary for their integration as commercial point of care (POC) devices. The focus of this thesis is on the nanofabrication of dielectric metasurfaces optimized for biosensing applications in order to overcome the aforementioned challenges of plasmonic biosensors. We aim to design, fabricate, and characterize silicon-based metasurfaces. First, we numerically studied the effects of the geometric parameters of the metasurfaces, whose unit cell is composed of two mirrored and tilted ellipses. The simulation-based parameter-sweep results allowed us to fine tune their resonance properties. Second, we established a robust process flow that required iterative optimization of the fabrication parameters and technics. We used Electron Beam Lithography (EBL) to achieve the optimized design parameters. To evaluate the fabricated metasurfaces, we analyzed transmission spectrum of the fabricated sensors and correlated this data to their geometric parameters extracted from Scanning Electron Microscopy (SEM) images. Moreover, a commercial Proximity Effect Correction (PEC) method was used to achieve uniformity throughout the sensor area. Finally, we were able to fabricate silicon metasurfaces whose resonance dip exhibited in its transmission spectrum had Full Width Half Max (FWHM) of ˜6 nm at 808 nm center wavelength. We extracted their bulk sensitivity (S) by monitoring the resonance position using liquids with various refractive indices as 258nm/RIU. The important Figure of Merit (FOM=S/FWHM) for sensing was found out to be 2 times better than that of the traditional plasmonic Au nanohole arrays experimentally. Finally, as a proof of concept, we performed real-time biosensing experiments using the fabricated all-dielectric metasurfaces.

I sensori ottici permettono di eseguire una diagnostica molto sensibile, rapida e in tempo reale. I biosensori plasmonici offrono un sistema di rivelazione label free e rapido. A causa delle perdite dissipative, i modi di risonanza plasmonica sono soggetti all’ allargamento della risonanza. La loro fabbricazione non è compatibile con le tecnologie Complementary metal-oxide semiconductor (CMOS), rendendo difficile una fabbricazione economica, che è necessaria per poterli utilizzare come dispositive point of care (POC). L’obiettivo di questa tesi è la nanofabbricazione di metasuperfici dielettriche come il silicio ottimizzate per biosensori, per superare le limitazioni menzionate sopra. Inizialmente abbiamo studiato numericamente gli effetti dei parametri geometrici delle metasuperfici, le cui unità sono composte da ellissi specchiate e inclinate. I risultati basati sulle simulazioni permettono infine di regolare le proprietà di risonanza. In seguito, abbiamo sviluppato un processo di fabbricazione che richiede delle ottimizzazione iterative dei parametri e delle tecniche della fabbricazione. Abbiamo usato l’Electron Beam Lithography (EBL) per ottenere i parametri ottimi per il design. Per studiare le metasuperfci fabbricate, noi ne abbiamo analizzato lo spettro di trasmissione e abbiamo correlato questi dati con i parametri geometrici estratti dalle immagini acquisite con la Scanning Electron Microscopy (SEM). Inoltre, un metodo commerciale di Proximity Effect Correction (PEC) è stato utilizzato per esporre uniformemente le nanostrutture nell’area del sensore. In fine, siamo stati in grado di fabbricare metastrutture in silicio con Full Width Half Maximum (FWHM) di 6nm e con lunghezza d’onda centrale di 808nm. Inoltre, la bulk sensitivity (S) è stata misurata utilizzando liquidi con differenti indici di rifrazione come 258 nm/RIU. La Figure of Merit (FOM) del silicio è due volte migliore di quella della tradizionale plasmonica con array di nanohole in oro. Come verifica é stata eseguito un esperimento in tempo reale utilizzando differenti biosensori dielettrici. Come verifica abbiamo effettuato un esperimento in tempo reale utilizzando differenti biosensori dielettrici.