Study and development of micro nano structured photonic surfaces with alternative nanomanufacturing techniques

Abstract

Micro- and nano-engineering of materials and surfaces is a crucial aspect of light manipulation and, therefore, of the development of photonic devices and/or components. Advances in micro/nanofabrication have opened paths for controlling optical properties, yet cost and scalability often remain a challenge. Since the mid-1990s, when nanoimprint lithography (NIL) was discovered1 and proposed as an alternative nanomanufacturing technique that uses polymers to replicate micro- and nanostructures at high resolution, the technique has developed and proven its high-throughput capabilities to pattern over large areas on a meter-to-meter basis (roll-to-roll), integrating with hybrid and functional materials. This thesis investigates NIL as a route to surfaces with tailored optical properties across the UV–visible and infrared spectrum. In the first part of this thesis, nanopatterning is combined with metal evaporation to fabricate plasmonic structures for plasmonic coloring and refractive-index sensing applications. Color tuning has been systematically studied via controlling the nanostructures critical dimensions. A large area (5 cm × 5 cm) was aditionally favricated and demonstrated a strong iridescent blue color. The fabricated plasmonic surfaces have been further studied for post-customization by tuning the effective refractive index, and were evaluated as refractive-index sensors using glycerol solutions, reaching a sensitivity of ~570 nm/RIU. In chapter 5, surface micro structuring is studied for enhanced infrared emission for radiative cooling applications. A visibly transparent, UV-curable organic–inorganic hybrid resist is characterized for its emission properties within the atmospheric window, before and after imprinting with four different microstructure geometries. Their spectral characteristics across the visible–NIR (400–900 nm) and infrared (7–14 μm) ranges identify one micropillar array and the micro pyramidal array as the most promising, while the selected micropillar array was further evaluated through cooling-power calculations and outdoor temperature measurements exhibiting average temperature drops of 3℃ compared to bare Si. The same geometry was selected to create a hierarchical topography which introduced a second functionality. The bi-functional film apart from its radiative cooling properties had an antireflection effect which improved transparency. Exploratory work on developing hybrid passive radiative-cooling materials is also presented and demonstrated. Initially, a non-toxic, biobased cooler material based on a PLA/SiO₂ nanocomposite was developed and realized. Moreover, the fabrication of a multilayer polymeric Bragg reflectors design was developed and tested for its photonic cooling properties. In summary, this work validates NIL as a versatile and scalable manufacturing method for functional optical surfaces, spanning plasmonic color and sensing to structurally enhanced radiative cooling.

Η μικρο- και νανο-μηχανική υλικών και επιφανειών αποτελεί κρίσιμη πτυχή του χειρισμού του φωτός και, κατά συνέπεια, της ανάπτυξης φωτονικών διατάξεων ή/και εξαρτημάτων. Οι εξελίξεις στη μικρο/νανοκατασκευή έχουν ανοίξει δρόμους για τον έλεγχο των οπτικών ιδιοτήτων, ωστόσο το κόστος και η δυνατότητα παραγωγής σε μεγάλη κλίμακα παραμένουν συχνά μια πρόκληση. Από τα μέσα της δεκαετίας του 1990, οπότε ανακαλύφθηκε η νανοεκτυπωτική λιθογραφία (NIL) και προτάθηκε ως εναλλακτική τεχνική νανοκατασκευής που χρησιμοποιεί πολυμερή για την αναπαραγωγή μικρο- και νανοδομών σε υψηλή ανάλυση, η τεχνική έχει εξελιχθεί και έχει αποδείξει τις δυνατότητές της για υψηλή απόδοση στην αποτύπωση μοτίβων σε μεγάλες επιφάνειες με μεθόδους roll-to-roll, ενσωματώνοντας υβριδικά και λειτουργικά υλικά. Η παρούσα διατριβή διερευνά τη νανοεκτυπωτική λιθογραφία ως μέθοδο για τη δημιουργία επιφανειών με προσαρμοσμένες οπτικές ιδιότητες σε όλο το φάσμα του υπεριώδους–ορατού και του υπερύθρου.Στο πρώτο μέρος της διατριβής, η νανοαποτύπωση μοτίβων συνδυάζεται με εξάχνωση μετάλλου για την κατασκευή πλασμονικών δομών για εφαρμογές πλασμονικού χρωματισμού και ανίχνευσης δείκτη διάθλασης. Η ρύθμιση του χρώματος μελετήθηκε συστηματικά μέσω του ελέγχου των κρίσιμων διαστάσεων των νανοδομών και παρουσιάστηκαν νανοδομές και σε μεγάλες επιφάνειες (5 cm × 5 cm), αναδεικνύοντας ένα έντονο ιριδίζον μπλε χρώμα. Οι κατασκευασμένες πλασμονικές επιφάνειες μελετήθηκαν περαιτέρω ως προς τη δυνατότητα ελέγχου του χρώματος χωρίς μεταβολή της γεωμετρίας των νανοδομών μέσω της ρύθμισης του ενεργού δείκτη διάθλασης, και αξιολογήθηκαν ως αισθητήρες δείκτη διάθλασης χρησιμοποιώντας διαλύματα γλυκερίνης, επιτυγχάνοντας ευαισθησία ~570 nm/RIU. Στο κεφάλαιο 5, μελετάται η μικροδόμηση επιφανειών για ενισχυμένη εκπομπή στο υπέρυθρο, για εφαρμογές παθητικής ψύξης μέσω ακτινοβολίας. Ένα οπτικά διαφανές, UV-πολυμεριζόμενο οργανικό–ανόργανο υβριδικό υλικό (Ormocomp resist) χαρακτηρίζεται ως προς τις ιδιότητες εκπομπής του εντός του ατμοσφαιρικού παραθύρου, πριν και μετά την αποτύπωση με τέσσερις διαφορετικές γεωμετρίες μικροδομών. Τα φασματικά τους χαρακτηριστικά στις περιοχές ορατού–εγγύς υπερύθρου (400–900 nm) και υπερύθρου (7–14 μm) αναδεικνύουν μια διάταξη μικροστύλων (micropillar array) και τη διάταξη μικροπυραμίδων ως τις πλέον υποσχόμενες, ενώ η επιλεγμένη διάταξη μικροστύλων αξιολογήθηκε περαιτέρω μέσω υπολογισμών ισχύος ψύξης και μετρήσεων θερμοκρασίας σε εξωτερικό χώρο, επιδεικνύοντας μέση πτώση θερμοκρασίας 3℃ σε σύγκριση με πυρίτιο (Si). Η ίδια γεωμετρία επιλέχθηκε για τη δημιουργία μιας ιεραρχικής τοπογραφίας, η οποία εισήγαγε μια δεύτερη λειτουργικότητα, αυτή της αντι-ανακλαστιότητας στα 400-900nm. Έτσι το τελικό φιλμ, πέρα από τις ιδιότητες παθητικής ψύξης μέσω ακτινοβολίας, εμφάνιζε και αντιανακλαστική δράση που βελτίωνε τη διαφάνεια. Παρουσιάζεται επίσης η διερεύνηση για την ανάπτυξη υβριδικών υλικών παθητικής ψύξης μέσω ακτινοβολίας με μικρο σωματίδια SiO₂ και νανο σωματίδια TiO₂. Αρχικά, αναπτύχθηκε και κατασκευάστηκε ένα μη τοξικό, βιοδιασπώμενο υλικό βασισμένο σε PLA/SiO₂ για παθητική ψύξη. Επιπλέον, δοκιμάστηκε ως προς τις ιδιότητες παθητικής ψύξης και μελετήθηκε η κατασκευή ενός θεωρητικού design πολυστρωματικών πολυμερικών ανακλαστήρων Bragg. Συνοψίζοντας, η παρούσα εργασία επικυρώνει τη νανοεκτυπωτική λιθογραφία ως μια ευέλικτη και κλιμακώσιμη μέθοδο κατασκευής για λειτουργικές οπτικές επιφάνειες, που εκτείνεται από τον πλασμονικό χρωματισμό και την ανίχνευση έως την παθητική ψύξη μέσω ακτινοβολίας.