Fabrication and Characterization of Plasmonic/Photonic Devices for Bacterial Detection

In recent years, hybrid plasmonic/photonic structures have been shown to be prime candidates for the fabrication of low-cost bio-sensing devices. The combination of a noble metal with a photonic crystal (PhC) allows the emergence of Tamm plasmons (TP), easy to excite (with normal incidence of radiation) and high quality factor modes localized at the interface between the two materials. Due to its well-known bactericidal effect and its ability to sustain TP modes, a common material for the plasmonic layer is silver. To overcome the limitation regarding the confinement of the TP field distribution at the PhC-metal interface, a nanostructured surface was demonstrated to be fundamental: in this way the TP mode becomes sensible to external stimuli like a change in the refractive index of the surface in direct contact with bacteria. This work focuses on the investigation of the wavelength shift of the TP transmission peak and its decrease in intensity upon exposure to bacteria. Assuming that these phenomena can be attributed to the depletion of silver ions from the device after the contact with bacteria (bio-doping), a series of electrodoping measurements were performed to test this hypothesis and to further explore the role and importance of metallic nanostructured surfaces in this kind of devices. The results presented in this work serve as proof of the importance to further develop hybrid plasmonic/photonic structures for bio-sensing applications.

Negli ultimi anni, le strutture ibride plasmoniche/fotoniche hanno dimostrato di essere tra le migliori candidate per la fabbricazione a basso costo di dispositivi per bio-rivelamenti. La combinazione di un metallo nobile con un cristallo fotonico (PhC) permette la comparsa del plasmone di Tamm (TP), risonanza facilmente eccitabile (tramite incidenza normale della radiazione) ed ad alto fattore di qualità, localizzata all’interfaccia tra i due materiali. Il tipico materiale scelto per lo strato con proprietà plasmoniche è l’argento, grazie alla sua nota proprietà antibatterica ed all’abilità di supportare l’eccitazione associata al plasmone di Tamm. Per superare la limitazione relativa al confinamento della distribuzione dei campi elettromagnetici del plasmone di Tamm all’interfaccia metallo-PhC, è stata dimostrata la necessità di una superficie nanostrutturata: in questo modo il plasmone di Tamm diventa sensibile agli stimoli esterni, come una modifica dell’indice di rifrazione della superficie a diretto contatto con i batteri. Il presente lavoro si concentra sull’indagine dello spostamento, in termini di lunghezza d’onda, del picco di trasmissione associato al plasmone di Tamm e della sua diminuzione d’intensità in seguito all’esposizione batterica. Assumendo che l’origine di questi fenomeni si possa attribuire alla perdita di ioni argento da parte del dispositivo dopo l’interazione con i batteri (bio-drogaggio), sono state eseguite una serie di misure di elettrodrogaggio per verificare tali ipotesi ed esplorare ulteriormente il ruolo e l’importanza delle superfici metalliche nanostrutturate per questa tipologia di dispositivi. I risultati presentati in questo lavoro servono a dimostrare l’importanza di sviluppare ulteriormente queste strutture ibride per applicazioni di bio-rilevamento.