Plasmonic Metamaterials for Surface-Enhanced Infrared and Raman Spectroscopy

Abstract

Det å observere enkeltmolekyler er avgjørende for blant annet tidlig oppdagelse av sykdom og miljøovervåking. I denne studien brukes et plasmonisk metamateriale (MM) bestående av overlappende dobbeltresonante rektangulære hull for å detektere molekylære vibrasjoner i synlige og infrarøde (IR) bølgelengdeområder ved hjelp av en frekvensoppkonverteringsteknikk.

IR-absorpsjon og Raman-spektroskopi kan brukes til å identifisere og kvantifisere molekyler i en prøve. Det er imidlertid utfordrende å detektere molekyler med lave konsentrasjoner eller små spredningstverrsnitt på grunn av lav signalintensitet. For å overvinne denne utfordringen kan plasmoniske MM-er, bestående av metalliske elementer mindre enn lysets bølgelengde, anvendes. Disse plasmoniske MM-ene lokaliserer og fanger lyset inni strukturen, noe som forsterker det nær-elektriske feltet. Plasmoniske MM-er kan forsterke IR-absorpsjon og Raman-spektroskopi (SEIRA og SERS), noe som resulterer i henholdsvis to- og firedobbel signalforsterkning. I denne studien benyttes en metaoverflate med overlappende rektangulære hull som har resonanser i mid-IR (MIR) og synlige bølgelengdeområder som valgt plasmonisk MM. En teoretisk analyse ved hjelp av en metode basert på endelige differanser i tidsdomenet (FDTD) brukes for å designe MM-strukturen og forutsi dens optiske oppførsel. Denne analysen inkluderer undersøkelser av hvordan man endrer resonansbølgelengden, maksimerer kvalitetfaktoren (Q-faktor), og bestemmer posisjonen til bølgelengden og verdien av lyslokalisering for å forsterke ønsket bølgelengdebånd. Videre utføres eksperimentelle undersøkelser for å demonstrere funksjonaliteten til MM-designet, sammen med en karakteriseringsanslyse. Parameterne for den fokuserte ion-strålen (FIB) undersøkes, og en analyse av de produserte strukturene blir gjennomført. Funksjonaliteten til det optiske mikroskopet som brukes til optiske målinger beskrives, sammen med en evaluering av spektrometrene. Resultatene viser at kombinasjonen av to ulike array av rektangulære hull muliggjør uavhengige resonanser i synlige og MIR-bølgelengdeområder, som kan justeres ved å endre lengden på rektanglene. Å lage MM-strukturen er oppnåelig ved bruk av en FIB, da de valgte dimensjonene og periodisiteten er tilstrekkelig store til å produsere det ønskede mønsteret. Spektrometrene i det optiske mikroskopet viser varierende støynivåer og bølgelengdeområder. Denne studien fokuserer hovedsakelig på teoretiske analyser, videre forskning bør derfor optimalisere fabrikasjonsprosessene og utføre optisk karakterisering og målinger ved bruk av det presenterte optiske mikroskopet.

The ability to observe single molecules is crucial for early detection of diseases and environmental monitoring. In this study, a plasmonic metamaterial (MM) consisting of spatially overlapping dual-resonant rectangular cavities is designed to detect molecular vibrations in visible and infrared (IR) wavelengths utilizing a frequency up-conversion technique.

IR absorption and Raman spectroscopy identify and quantify molecules in a sample. However, detecting molecules with low concentrations or small scattering cross-sections is challenging due to their low signal intensity. To overcome this challenge, plasmonic MMs comprising metallic elements on a subwavelength scale within a dielectric medium may be employed. These structures facilitate the tight localization and confinement of light to enhance the near-electric field. Plasmonic MMs can be used for surface-enhanced IR absorption and Raman spectroscopy (SEIRA and SERS), resulting in a two- and four-fold signal enhancement. This study uses a metasurface consisting of spatially overlapping rectangular cavity arrays resonating in mid-IR (MIR) and visible wavelength ranges as the chosen plasmonic MM. A theoretical investigation utilizing finite-difference time-domain (FDTD) simulations is performed to design the MM structure and predict its optical behavior. This analysis includes exploring the process of resonance wavelength tuning, maximizing the quality factor (Q-factor), and determining the wavelength position and magnitude of light localization to enhance the desired wavelength bands. Furthermore, experimental investigations are conducted to demonstrate the functionality and perform a characterization analysis of the MM design. Investigations of focused ion beam (FIB) parameters and an analysis of the fabricated structures are performed. The functionality of the optical microscope used for optical measurements is described together with an evaluation of its spectrometers. The results show that combining two rectangular cavity arrays enables independent resonances in visible and MIR wavelength ranges, which can be tuned by adjusting the cavity length. Fabricating the MM structure is achievable using a FIB, as the selected dimensions and periodicity are sufficiently large to resolve the desired pattern. The spectrometers in the optical microscope exhibit varying noise levels and wavelength ranges. While this thesis mainly focuses on theoretical investigations, further research should aim to optimize the fabrication processes and conduct optical characterization and measurements using the presented optical microscope.