Enhanced Optical Response in Arrays of Multifunctional Plasmonic Nanostructures

Abstract

[eng] This thesis is devoted to the study of two plasmonic nanostructures that present a 3-fold symmetry, namely, inverted honeycomb lattices of bars and twisted stacks of triskelion nanostructures. These systems are particularly interesting due to the inherent geometric frustration originated by the mis- match between dipolar excitations, and the odd parity associated with the 3-fold symmetry. The combination of FDTD simulations with the fabrica- tion and subsequent far-field and near-field optical characterization of such structures allows for a multifaceted description of the system. In this thesis, a remarkable agreement between experiments and simulation is achieved, demonstrating the effectiveness of this combined approach in elucidating the response of plasmonic systems.

This thesis begins with a fundamental overview of the field, laying the groundwork for the essential concepts necessary for understanding the main findings presented in subsequent sections. These results are discussed in detail through the publications derived from this research. Furthermore, simulation methodologies, nanofabrication techniques, and characterization methods are introduced, as they form the core of the research presented herein.

Publications I and II are devoted to the study of inverted honeycomb plas- monic lattices. Here we prove the potential of such structures as refractive index sensors, taking advantage of the sharp SLR and the well-defined spec- tral dependence with the refractive index. The general sensing capabilities of this SLR can easily be expanded due to the out-of-plane electric field of hot spots spanning hundreds of nanometers away from the structure surface, providing a huge potential sensing volume. From a fundamental point of view, we have successfully characterized the plasmonic response of this system through state-of-the-art EELS experiments and FDTD simulations. By using EELS, both bright and dark modes can be detected. In particular, we present the first observation of resonances with an anti-ferroelectric arrangement of the dipolar excitations of the slits in the honeycomb lattice that occur with such spatial periodicity so that their unit cell has twice the

area of the honeycomb lattice. The samples presented in this part have been fabricated by EBL and specially dedicated FIB milling using Au ions to avoid contamination of the sample.

Publications III and IV focus on the study of two stacked triskelia nanostruc- tures, and their response as a function of the geometry of the structure, in particular, the twist angle between them. The triskelion motif is character- ized by its 3-fold symmetry and inherent two-dimensional chirality in 2D. This system holds two coupled plasmonic resonances tunable by control- ling the angle between both triskelia. We have demonstrated that a simple bonding-antibonding model is insufficient to fully elucidate the behavior of these two resonances. Instead, we have observed a continuous evolution of the excited modes as a function of the angle between the elements. Further insight into the combination of such resonances with SLR is proposed. The fabrication of this structure by successive EBL over large areas and high degree of alignment are also detailed.

[cat] Aquesta tesi està dedicada a l’estudi de dues nanostructures plasmòniques que presenten una simetria trigonal, xarxes de panal d'abella d'escletxes i apilaments de nanostructures en forma de triskelió. Aquests sistemes són particularment interessants a causa de la seva inherent frustració geomètrica, originada pel fet que les excitacions dipolars no es poden acomodar correctament a un sistema amb simetria trigonal. La combinació de simulacions FDTD amb la fabricació i posterior caracterització d’aquestes estructures permet una descripció completa del sistema. En aquesta tesi s’aconsegueix un notable acord entre experiments i simulacions, demostrant l’èxit de la combinació de tècniques a l’hora de comprendre la resposta dels sistemes plasmònics. Aquest treball comença amb una introducció bàsica al camp d’estudi, establint els conceptes fonamentals necessaris per tal de comprendre els principals resultats d’aquesta tesi. Aquests resultats s'exposen detalladament a les publicacions que se'n deriven. Addicionalment, es resumeixen les principals les tècniques de simulació, nanofabricació i caracterització utilitzades, ja que són l’eix vertebrador de la recerca presentada en aquesta tesi. Les publicacions I i II es dediquen a l’estudi de xarxes plasmòniques de panal d'abella invertit. En aquest cas, es demostra el seu potencial com a sensors d’índex de refracció, aprofitant la forta ressonància SLR i la seva dependència espectral amb l’índex de refracció del medi. Les capacitats generals de detecció d’aquest SLR es poden ampliar fàcilment gràcies a la generació de zones de concentració del camp elèctric fora del pla, que abasten centenars de nanòmetres fora de l’estructura, proporcionant un enorme potencial volum de detecció. Des d’un punt de vista fonamental, hem caracteritzat amb èxit la resposta plasmònica d’aquest sistema mitjançant mesures experimentals d’EELS i simulacions FDTD. Mitjançant EELS, es poden detectar tant modes brillants com foscos. Concretament, presentem la primera observació de ressonàncies originades per una disposició antiferroelèctrica d'excitacions dipolars a les escletxes que formen la xarxa de panal d'abella, que es produeixen amb una periodicitat espacial tal que la seva cèl·la unitat té el doble d’àrea que la de la xarxa original. Les mostres presentades en aquesta part s’han fabricat amb EBL i un fresat FIB específic amb ions d’or per evitar la contaminació de la mostra. Les publicacions III i IV es centren en l’estudi de dues nanostructures amb forma de triskelió apilades i de la seva resposta en funció de la geometria de l’estructura, concretament, en funció l’angle de rotació entre elles. El triskelió es caracteritza per presentar una simetria trigonal, però també per ser quiral en 2D. Aquest sistema presenta dues ressonàncies plasmòniques acoblades que es poden modular controlant l’angle entre ambdós triskelionss. Hem demostrat que un simple model de "bonding-antibonding" no pot explicar amb èxit el comportament d’aquestes dues ressonàncies, sinó que es produeix un canvi continu en els modes excitats a mesura que canvia l’angle entre els elements. També es proposa un anàlisi més profund sobre la combinació d’aquestes ressonàncies amb les SLR. Es detalla, a més, la fabricació d’aquesta estructura mitjançant processos de EBL consecutius sobre una àrea gran i amb un alt grau d’alineament.