Large-area low-cost fabrication of complex plasmonic nanostructures for sensing applications

Abstract

In this thesis, we introduce hole-mask colloidal lithography and nanosphere lithography techniques for low-cost nanofabrication of large-area (about 1 cm^2) plasmonic nanostructures with different complex shapes. For the first one, we use thin film PMMA-gold hole-masks, which are first prepared with polystyrene colloids, combined with following tilted-angle-rotation evaporation to fabricate large-area randomly deposited plasmonic nanostructures. For the second one, we use hexagonal close-packed polystyrene nanosphere monolayers directly as evaporation masks to fabricate large-area periodic plasmonic nanostructures. We describe the fabrication process step by step, and manufacture a variety of different plasmonic nanostructures for different sensing applications. For example, we use split-ring-resonators for antenna-assisted surface-enhanced infrared absorption measurements to detect monolayer molecules with an up to 20000-fold enhancement factor. We also utilize asymmetric double split-ring- resonators for localized surface plasmon resonance sensing with experimental sensitivities of up to 520 nm/RIU and figures of merit up to 2.9. Furthermore, we investigate plasmonic oligomers consisting of touching triangular building blocks, which show fundamental modes, higher-order modes, as well as Fano resonances due to coupling between bright and dark modes within the same complex structures. Large-area low-cost direct contact Au-Pd hydrogen sensors are demonstrated, which show much improved spectral shifts as large as 30 nm upon hydrogen exposure. Additionally, we improve hole-mask colloidal lithography for three-dimensional and multishape fabrication. With multiple repetitions of hole-mask lithography, single-layer metasurfaces with complex, multi-shape plasmonic nanostructures can be created that exhibit desired optical functionalities. Large-area and low-cost fabrication of different samples with independently tunable resonances is demonstrated. These single-layer metasurfaces could find possible applications as bifunctional surface-enhanced infrared absorption and surface-enhanced Raman spectroscopy, multi-line, as well as broadband substrates. The fabrication method is particularly suited for the creation of large-area, single-layer C3-symmetric chiral metasurfaces, and this approach circumvents common problems with elliptical birefringence and can be utilized for interaction with chiral substances.

In dieser Arbeit führen wir zwei kostengünstige Herstellungsmethoden für großflächige (ca. 1 cm^2), komplexe, plasmonische Nanostrukturen mittels verschiedener Nanokugellithographietechniken ein. Für die erste Methode verwenden wir Dünnschicht-PMMA-Goldlochmasken, die mit Hilfe von Polystyrolkolloiden hergestellt werden. In Kombination mit gekipptem und rotierendem Aufdampfen lassen sich großflächige, willkürlich angeordnete, metallische Nanostrukturen herstellen. Bei der zweiten Methode verwenden wir eine hexagonal dichtest gepackte Monolage aus Polystyrolnanokugeln als Aufdampfmaske, um großflächige, periodische, plasmonische Nanostrukturen zu realisieren. Wir beschreiben den Herstellungsprozess Schritt für Schritt und die optische Eigenschaften der plasmonischen Nanostrukturen für verschiedene Anwendungen. Wir verwenden Split-Ring-Resonatoren für antennenunterstützte, oberflächenverstärkte Infrarot-Absorptionsspektroskopie an einer Molekülmonolage. Dabei untersuchen wir Streckschwingungen der aufgebrachten Moleküle und erhalten einen Verstärkungsfaktor von bis zu 20.000. Ein weiteres Beispiel sind asymmetrische Doppel-Split-Ring-Resonatoren, die für plasmonische Sensoren mit experimentellen Empfindlichkeiten von bis zu 520 nm/RIU und Gütezahlen von 2,9 verwendet werden. Außerdem untersuchen wir Oligomerstrukturen, die aus dreieckigen, sich berührenden Bausteinen bestehen. Sie zeigen die fundamentale Mode und Moden höherer Ordnung, sowie die Fano-Resonanz aufgrund der Kopplung zwischen hellen und dunklen plasmonischen Moden innerhalb derselben Strukturgeometrie. Großflächige, kostengünstige Au-Pd Wasserstoffsensoren mit einer deutlich verbesserten spektralen Verschiebungen von 30 nm bei Wasserstoffexposition werden in ihrer Herstellung und Funktion vorgestellt. Darüber hinaus erweitern wir unsere Lochmaskenlithographiemethode auf die Herstellung dreidimensionaler Strukturen und realisieren unterschiedliche Geometrien auf einem Substrat. Für eine bestimmte optische Multifunktionalität lassen sich durch wiederholtes Durchführen unseres Lochmaskenlithographieverfahrens monolagige Metaoberflächen aus komplexen, verschiedenen Nanostrukturen herstellen. Wir demonstrieren großflächige und kostengünstige Herstellung von verschiedenen Proben mit unabhängig einstellbaren Resonanzen. Diese monolagigen Metaoberflächen ermöglichen bifunktionelle oberflächenverstärkte Infrarot-Absorption und Raman-Spektroskopie, Multiresonanzen- und Breitband-Substrate. Diese Methode ist besonders gut geeignet für die Herstellung von großflächigen, einlagigen, C3-symmetrischen, chiralen Metaoberflächen. Dieser Ansatz umgeht Probleme mit elliptischer Doppelbrechung und kann zur Untersuchung der Wechselwirkung mit chiralen Substanzen verwendet werden.