Design and optical characterization of anisotropic plasmonic metamaterials at visible and infrared wavelengths

Abstract

The field of plasmonics studies the interaction of light and free electrons in metals, giving rise to excitation of surface waves, on a metallodielectric interface. One branch of plasmonics is the design of metamaterials in visible and infrared spectral range which are artificial structures designed to manipulate the propagation of light in a way not possible with conventional materials. This thesis is categorized in 3 main parts. The first part examines the effects of waveguided modes in Au nanorod metamaterial waveguides. It shows, both theoretically and experimentally, that these materials can be designed to control the sign and magnitude of modal group velocity depending on the geometry and polarization chosen exhibiting high effective refractive indices(up to 10) and have an unusual cut-off from the high-frequency side, providing deep-subwavelength (λ_0/6 - λ_0/8 waveguide thickness) single-mode guiding. This allows slow light to exist in such waveguides in a controllable environment which is a critical factor for nonlinear and active nanophotonic devices, quantum information processing, buffering and optical data storage components. The second part discusses, analytically and numerically, strategies for biosensing and nonlinearity enhancement with hyperbolic nanorod metamaterials. It shows how the sensitivity of unbound, leaky as well as waveguided modes can be enhanced based on geometrical considerations. Additionally, refractive index variation of the host medium produces 2 orders of magnitude higher sensitivity compared to nanorod or superstrate refractive index changes. In certain configurations, both TE and TM-modes of the metamaterial transducer have comparable sensitivities opening up opportunities for polarization multiplexing in sensing experiments. The figure of merit of the aforementioned structure is one order of magnitude higher than surface plasmon polariton and localized surface plasmon sensors making it ideal for sensitive-dependant applications such as chemo- and biosensors and nonlinear photonic devices. The third part investigates Strontium Ruthenate thin films as a new material for near-IR plasmonic applications. It is demonstrated that their plasmonic behavior can be optimized by their deposition conditions leading to a selective and tunable plasma frequency in 324 - 392 nm range and epsilon-near-zero wavelength in 1.11 { 1.47 μm range. Applications of these films range from heat-generating nanostructures in the near-IR spectral range, to metamaterial-based ideal absorbers and epsilon-near-zero components, where the interplay between real and imaginary parts of the permittivity in a given spectral range is needed for optimizing the spectral performance.

Το πεδίο της πλασμονικής μελετά την αλληλεπίδραση φωτός και ελεύθερων ηλεκτρονίων στα μέταλλα, που προκαλούν διέγερση επιφανειακών κυμάτων, σε μια μεταλλοδιηλεκτρική διεπιφάνεια. Ένας κλάδος της πλασμονικής είναι ο σχεδιασμός μεταϋλικών σε ορατό και υπέρυθρο φασματικό εύρος, τα οποία είναι τεχνητές δομές σχεδιασμένες να χειρίζονται τη διάδοση του φωτός με τρόπο που δεν είναι δυνατός με τα συμβατικά υλικά. Η παρούσα διπλωματική εργασία χωρίζεται σε 3 κύρια μέρη. Το πρώτο μέρος εξετάζει τα αποτελέσματα των κυματοδηγούμενων τρόπων σε κυματοδηγούς μεταϋλικού Au nanorod. Δείχνει, τόσο θεωρητικά όσο και πειραματικά, ότι αυτά τα υλικά μπορούν να σχεδιαστούν για να ελέγχουν το πρόσημο και το μέγεθος της ταχύτητας της τροπικής ομάδας ανάλογα με τη γεωμετρία και την πόλωση που επιλέχθηκε, παρουσιάζοντας υψηλούς αποτελεσματικούς δείκτες διάθλασης (έως 10) και έχουν μια ασυνήθιστη αποκοπή από την πλευρά της υψηλής συχνότητας, παρέχοντας μονόδρομη καθοδήγηση σε βάθος υπομήκους κύματος (λ_0/6 - λ_0/8 πάχος κυματοδηγού). Αυτό επιτρέπει την ύπαρξη αργού φωτός σε τέτοιους κυματοδηγούς σε ένα ελεγχόμενο περιβάλλον που είναι κρίσιμος παράγοντας για μη γραμμικές και ενεργές νανοφωτονικές συσκευές, κβαντική επεξεργασία πληροφοριών, προσωρινή αποθήκευση και οπτικά στοιχεία αποθήκευσης δεδομένων. Το δεύτερο μέρος συζητά, αναλυτικά και αριθμητικά, στρατηγικές βιοαισθητοποίησης και ενίσχυσης της μη γραμμικότητας με υπερβολικά μεταϋλικά νανοράβδου. Δείχνει πώς μπορεί να βελτιωθεί η ευαισθησία των αδέσμευτων, των διαρροών καθώς και των κυματοδηγούμενων τρόπων με βάση γεωμετρικές εκτιμήσεις. Επιπλέον, η διακύμανση του δείκτη διάθλασης του μέσου ξενιστή παράγει 2 τάξεις μεγέθους υψηλότερη ευαισθησία σε σύγκριση με τον δείκτη διάθλασης νανοράβδου ή υπερστρώματοςαλλαγές. Σε ορισμένες διαμορφώσεις, και οι δύο λειτουργίες TE και TM του μετατροπέα μεταϋλικού έχουν συγκρίσιμες ευαισθησίες που ανοίγουν ευκαιρίες για πολυπλεξία πόλωσης σε πειράματα ανίχνευσης. Η αξία της προαναφερθείσας δομής είναι κατά μία τάξη μεγέθους υψηλότερη από τον πολαρίτη του επιφανειακού πλασμονίου και τους εντοπισμένους αισθητήρες πλασμονίου επιφανείας, καθιστώντας την ιδανική για ευαίσθητες εφαρμογές όπως χημειο- και βιοαισθητήρες και μη γραμμικές φωτονικές συσκευές. Το τρίτο μέρος ερευνά τις λεπτές μεμβράνες ρουθενικού στροντίου ως νέο υλικό για πλασμονικές εφαρμογές σχεδόν IR. Αποδεικνύεται ότι η πλασμονική τους συμπεριφορά μπορεί να βελτιστοποιηθεί από τις συνθήκες εναπόθεσής τους που οδηγούν σε μια επιλεκτική και ρυθμίσιμη συχνότητα πλάσματος σε εύρος 324 - 392 nm και μήκος κύματος σχεδόν μηδενικό έψιλον σε εύρος 1,11 - 1,47 μm. Οι εφαρμογές αυτών των μεμβρανών κυμαίνονται από νανοδομές που παράγουν θερμότητα στο φασματικό εύρος σχεδόν IR, έως ιδανικούς απορροφητές με βάση μεταϋλικά και εξαρτήματα σχεδόν μηδενικά έψιλον, όπου απαιτείται η αλληλεπίδραση μεταξύ πραγματικών και φανταστικών τμημάτων της διαπερατότητας σε μια δεδομένη φασματική περιοχή για τη βελτιστοποίηση του φάσματος εκτέλεση.