Fabrication, functionalization and characterization of nano-antennas for SECARS

Optical nano-antennas are important devices for the conversion of propagating radiation into enhanced fields at the nano scale. This is possible owing to two reasons. First, optical nano-antennas support Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) which can confine light into sub-wavelength spatial volumes, therefore providing a means to overcome the limitations imposed by the diffraction of light. Second, with the recent advancement in nano-fabrication techniques, such as Electron Beam Lithography (EBL), metallic nano-structures can now be precisely defined within size down to nanometer scales. This ability unlocks an enormous potential for applications in optical microscopy and spectroscopy at the nanoscale, allowing for label free ultra-sensitive bio detection, as well as enhancement of optical nonlinearities. This dissertation investigates the role of Localized Surface Plasmon Resonances on the performance of conveniently designed lithographic nano-antennas, which confine electromagnetic fields in a reproducible manner for applications to Surface Enhanced Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy (SE-CARS). Nano-antennas were optimized for each of the three wavelengths involved in CARS (pump, Stokes and Anti-Stokes). We also address the effect of the different geometrical and process parameters; in particular, we study the effect of the substrate and dielectric environment on the resonance characteristics of nano-antennas. The research work presented in this dissertation was performed at LaNN, Laboratory for Nanofabrication of Nano devices) at Padova, Italy in tight collaboration with the PoliMi (Politecnico di Milano) Milan, Italy. Keywords : Nano-antenna, Plasmonics, Localized Surface Plasmonic Resonance, EBL, SECARS  

Ottica nano- antenne sono dispositivi importanti per la conversione di moltiplicazione radiazione nei campi avanzati su scala nanometrica . Ciò è possibile grazie a due ragioni . In primo luogo , nano- antenne ottiche supportano superficiale localizzata Plasmon Risonanza ( LSPR ) che può confinare la luce in volumi spaziali sub - lunghezza d'onda , fornendo quindi un mezzo per superare i limiti imposti dalla diffrazione della luce . In secondo luogo , con il recente progresso nelle tecniche di nano- fabbricazione , come la litografia a fascio elettronico ( EBL ) , metalliche nano- strutture possono essere definite con precisione in dimensioni fino a scala nanometrica . Questa abilità sblocca un potenziale enorme per applicazioni in microscopia ottica e spettroscopia su scala nanometrica , consentendo il rilevamento etichetta bio ultra - sensibili libero , nonché al miglioramento della linearità ottiche . Questa tesi indaga il ruolo della localizzati in superficie Risonanze Plasmon sulla performance del litografiche nano- antenne opportunamente progettati, che impongono ai campi elettromagnetici in modo riproducibile per le applicazioni per Superficiale Maggiore Coerente Anti - Stokes Spettroscopia Raman ( SE - CARS ) . Nano- antenne sono state ottimizzate per ciascuna delle tre lunghezze d'onda coinvolte nella CARS ( pompa , Stokes e Anti - Stokes ) . Abbiamo anche affrontare l' effetto dei diversi parametri geometrici e di processo , in particolare , si studia l'effetto del substrato dielettrico e dell'ambiente sulle caratteristiche di risonanza dei nano- antenne . Il lavoro di ricerca presentato in questa tesi è stato eseguito presso LaNN , Laboratorio di nano fabbricazione di dispositivi nano ) a Padova , Italia in stretta collaborazione con il PoliMi ( Politecnico di Milano ) Milano, Italia .