Theoretical study and development of photonic devices and sensors

Abstract

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετώνται θεωρητικά και πειραματικά καινοτόμες φωτονικές πλατφόρμες που βασίζονται είτε σε πλασμονικές δομές είτε σε συστήματα αισθητήρων που χρησιμοποιούν λειτουργικά πολυμερικά υλικά. Η πρώτη δομή που μελετάται είναι οπτικές ίνες κωνικής δομής επικαλυμμένες με λεπτό στρώμα μετάλλου. Η ενσωμάτωση στον μανδύα μιας μικρής επιφανειακής ασυνέχειας (Plasmonic Slot Nano-Resonators - PSNRs), η οποία μπορεί να έχει μία ποικιλία σχημάτων, προκαλεί τη συγκέντρωση του πεδίου στην ασυνέχεια αυτή λόγω πλασμονικού συντονισμού με αποτέλεσμα να ενισχυθεί η έντασή του μερικές τάξεις μεγέθους. Οι ιδιότητες των τρόπων διάδοσης σε αυτές τις δομές διερευνώνται μέσω προσομοιώσεων με μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων (Finite Element Method - FEM) για τον προσδιορισμό των παραμέτρων βελτιστοποίησής τους. Διαπιστώθηκε ότι η τοποθέτηση ενός PSNR στην ακτίνα αποκοπής μίας επιστρωμένης με μέταλλο οπτικής ίνας κωνικής δομής, όπου η ομαδική ταχύτητα τείνει στο μηδέν, οδηγεί σε σημαντική ενίσχυση της έντασης του πεδίου. Η μέγιστη ένταση του πεδίου εντός των PSNRs παρουσιάζει γραμμική εξάρτηση μεταξύ του μήκους κύματος διέγερσης και της ακτίνας της οπτικής ίνας όπου είναι τοποθετημένο το PSNR, καθιστώντας εφικτή την επιλογή της κατάλληλης ακτίνας για την τοποθέτησή του για ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος διέγερσης προκειμένου να επιτευχθεί η μέγιστη ενίσχυση του πεδίου. Η δεύτερη πλασμονική δομή που μελετήθηκε είναι μεταλλικές ακίδες που μπορούν να προσφέρουν υψηλή ένταση πεδίου στην κορυφή τους. Η προτεινόμενη πλατφόρμα που βασίζεται σε υβριδικές μικροΐνες γυάλινου μανδύα-μεταλλικού πυρήνα παρέχει μηχανική αντοχή και επιτρέπει την επαναδιέγερση των πλασμονικών κυμάτων λόγω ολικής ανάκλασης στην διεπιφάνεια γυαλιού/αέρα με αποτέλεσμα να μειώνονται δραματικά οι υψηλές απώλειες που προκαλούνται από τον μεταλλικό πυρήνα. Μια βελτιστοποιημένη διαδικασία κατασκευής υψηλής ποιότητας πλασμονικών ακίδων μπορεί να επιτευχθεί με λέπτυνση των ινών με θέρμανση και ταυτόχρονο εφελκυσμό ώστε να δημιουργηθούν περιοχές μειούμενης διαμέτρου. Για το σκοπό αυτό, η αστάθεια Plateau-Rayleigh σε τέτοιες υβριδικές ίνες διερευνάται θεωρητικά μέσω προσομοιώσεων FEM για διαφορετικές θερμοκρασίες και συγκρίνεται με τη θεωρία αστάθειας του Tomotika ώστε να υπολογιστεί ο χρόνος διάσπασης του συνεχούς πυρήνα. Τα θεωρητικά αποτελέσματα είναι σε συμφωνία με τις πειραματικές παρατηρήσεις και παρέχουν γνώση της μηχανικής των υβριδικών αυτών ινών για την ανάπτυξη πλασμονικών ακίδων. Οι πλασμονικές ακίδες αναπτύχθηκαν επιτυχώς με ελεγχόμενο τρόπο και η απόδοσή τους συγκρίνεται με τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων που προβλέπουν υψηλούς συντελεστές ενίσχυσης του πεδίου έως 10^5. Οπτικές ίνες επικαλυμμένες με καινοτόμα πολυμερή μελετώνται επίσης για την ανάπτυξη βιο-αισθητήρων. Ο μηχανισμός ανίχνευσης βασίζεται στις μεταβολές της μετρούμενης ισχύος στο απομακρυσμένο άκρο της ίνας λόγω της αλληλεπίδρασης μεταξύ του αποσβενυόμενου πεδίου της ίνας και των αλλαγών που προκαλούνται στο πολυμερικό στρώμα λόγω της προσρόφησης των υπό μελέτη μορίων. Δύο νέα αμφίφιλα συμπολυμερή κατά συστάδες, το κατιονικό PMMA117-b-PDMAEMA16 και το κατιονικό PMMA117-bP (DMAEMA17-VSTEMA2), που έχουν τόσο υδρόφοβο πολυ(μεθακρυλικού μεθυλεστέρα) (ΡΜΜΑ) όσο και υδρόφιλο πολυ(μεθακρυλικός εστέρας της 2-διμεθυλαμινο αιθανόλης) (PDMAEMA) σχεδιάστηκαν και συντέθηκαν για την ανίχνευση πρωτεϊνών. Η παρουσία του κατιονικού μέρους PDMAEMA και των διπλών δεσμών βινυλοσουλφόνης επιτρέπει την αναστρέψιμη ηλεκτροστατική προσρόφηση αρνητικά φορτισμένων πρωτεϊνών όπως η bovine serum albumin (BSA) καθώς και τη μη αναστρέψιμη χημική σύνδεση λόγω αντίδρασης της θειολίνης με την κυστεΐνη των πρωτεϊνών, αντίστοιχα. Η ικανότητα ανίχνευσης αυτών των υλικών αξιολογήθηκε και επιβεβαιώθηκε τόσο με ανάλυση ATR-FTIR όσο και με τον χαρακτηρισμό οπτικών ίνων πυριτίας επικαλυμμένες με λεπτό στρώμα συμπολυμερούς. Μελετήθηκε επίσης η κατασκευή πλεγμάτων μικρο-ινών φθορισμού από πολυμερή και ο χαρακτηρισμός τους ως αισθητήρες. Ο σχηματισμός τρισδιάστατων πλεγμάτων ινών προσφέρει μεγάλη περιοχή αλληλεπίδρασης με τα προς ανίχνευση μόρια και έτσι μπορούν να ξεπεραστούν οι περιορισμοί κορεσμού που παρατηρούνται σε πολυμερικές επιφάνειες με συνέπεια την ανάπτυξη πιο αποτελεσματικών αισθητήρων. Αναπτύχθηκαν δύο διαφορετικά πλέγματα μικρο-ινών με βάση πολυμερή που περιείχαν φθορίζουσες ουσίες. Το πρώτο κατασκευάστηκε από ένα καλά καθορισμένο μεθακρυλικό ομοπολυμερές που περιείχε ανθρακένιο ως φθορίζουσα ουσία για την παραγωγή πλέγματος φθοριζόντων ινών πολυμερούς. Αυτά τα υλικά χαρακτηρίστηκαν ως προς την ανίχνευση αμμωνίας και παρουσίασαν γρήγορη απόκριση σε συγκέντρωση έως 10000 ppm ατμών αμμωνίας. Για την κατασκευή του δεύτερου φθορίζοντος πλέγματος μικρο-ινών συντέθηκαν νανοσωματίδια (NPs) πυρήνα σιδήρου-κελύφους πυριτίας που αποτελούνται από πολυ-νανοσωματιδιακό μαγνητικό πυρήνα γ-Fe2O3 και εξωτερικό κέλυφος πυριτίας και συνδέονται ομοιοπολικά με φθορίζοντα μόρια ροδαμίνης Β (RhB) (γ-Fe203/SiO2/RhB NPs). Τα προκύπτοντα γ-Fe2O3/Si02/RhB NPs ενσωματώθηκαν σε ένα ανανεώσιμο και φυσικά άφθονο παράγωγο κυτταρίνης (οξική κυτταρίνη - CA) το οποίο χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή πλεγμάτων μικρο-ινών φθορισμού. Η ενσωμάτωση των νανοσωματιδίων εντός των ινών και η ομοιοπολική σύνδεση του Rhb στις επιφάνειες των νανοσωματιδίων εμποδίζουν τη διαρροή της φθορίζουσας ουσίας από το ινώδες πλέγμα, επιτρέποντας έτσι τη σταθερή λειτουργία φθορισμού των αναπτυγμένων υλικών. Η απόδοση των υλικών αυτών αξιολογήθηκε τόσο ως προς την ανίχνευση αέριας αμμωνίας όσο και για τη μέτρηση pΗ, επιδεικνύοντας συνεπή απόκριση σε πολύ υψηλές συγκεντρώσεις αμμωνίας (μέχρι 12000 ppm) και γρήγορη και γραμμική απόκριση σε αλκαλικά και όξινα περιβάλλοντα. Επιπλέον η μαγνητική φύση των ενσωματωμένων νανοσωματιδίων παρέχει τη δυνατότητα ελέγχου της μορφολογίας των πλεγμάτων μικρο-ινών με την εφαρμογή εξωτερικού μαγνητικού πεδίου καθιστώντας δυνατή τη χρήση τους σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών ανίχνευσης.