Nanostrutture per Plasmonica e Magnetismo

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Michelangelo Valerio Napolitano
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1 CNISMeeting Padova Gen Nanostrutture per Plasmonica e Magnetismo Giovanni Mattei Dipart. di Fisica, Univ. di Padova, via Marzolo 8, I Padova (Italy) giovanni.mattei@unipd.it

2 Gruppo Nanostrutture Dip. Fisica Permanent Staff Paolo Mazzoldi Giovanni Mattei Tiziana Cesca Chiara Maurizio Technical Staff Carlo Scian Post-docs Valentina Bello Giovanni Pellegrini PhD students Boris Kalinic Niccolò Michieli Giovanni Perotto Students/Fellows Mattia Checchin Alberto Dalla Caminà Martina Righele Andrea Vigolo

3 Fisica Quantistica Fisica Classica Nanostrutture & Nanotecnologia 1 m 1 mm =10-3 m 1 mm =10-6 m 1 nm =10-9 m 1 pm =10-12 m - Capello - Globuli rossi - Transistor - Virus, Cluster - DNA, Fullereni, Nanotubi - Atomo Nanotecnologia

Materiale Massivo Materiale Nanostrutturato Dimensione (L) ~ 1 m < 100 nm = 10-7 m Proprietà (A) A A(L) A = A(L) lunghezze caratteristiche λ C ~ 1-100

4 Materiale Massivo Materiale Nanostrutturato Dimensione (L) ~ 1 m < 100 nm = 10-7 m Proprietà (A) A A(L) A = A(L) lunghezze caratteristiche λ C ~ nm Nano-fisica: L < λ C Per es.: - λ e = libero cammino medio elettronico ( nm) - λ M = domini magnetici (30-50 nm) controllo L = controllo A(L)

5 T M (R) ( C) Variazione della temperatura di fusione con le dimensioni 1200 Temperatura di fusione Au C 2 nm esperimento teoria R (nm)

6 Nanocluster di Au ottenuti per impianto ionico in SiO 2 SiO 2 Au n R (nm) Sup /Vol % % % % Au NC visto lungo la direzione <110>

7 Proprietà Nanostrutture Metalliche Proprietà Ottiche (Plasmonica): 1. Sensori Plasmonici 2. Guide d onda plasmoniche 3. Nano-Antenne Confinamento luce < λ

8 Materiali per la plasmonica Re ε ω, R < 0

9 Proprietà Nanostrutture Metalliche Proprietà Ottiche (Plasmonica): 1. Sensori Plasmonici 2. Guide d onda plasmoniche 3. Nano-Antenne Proprietà Magnetiche: 1. Superparamagnetismo 2. Proprietà Magneto-ottiche

10 Materiali per il magnetismo

11 Plasmonica interazione onde EM nanostrutture metalliche Nanoparticella di Ag (R = 50 nm) in SiO nm 100 nm 100 nm

12 Plasmonica interazione onde EM nanostrutture metalliche 3 Nanoparticelle di Ag interagenti (R = 30 nm) l ~ 464 nm 400 I 60 nm 0

13 Nano-Cluster (NC) Multifunzionali 1. Nano-Pianeti (NPL) Au-Ag Ottica nonlineare Hot-spot engineering Amplificatori ottici D ~ 10 nm 2. Array ordinati di Nano-Piramidi Ag Sensori plasmonici D ~ 100 nm 3. Nano-lega Au-Fe Foto-coercitività Magneto-plasmonica

14 1. hot-spot engineering e proprietà NLO Nano-Pianeti di lega Au-Ag in SiO 2 (D ~ nm)

Formazione dei NanoPianeti Au-Ag in SiO 2

Au-Ag 1 0 n m G. Mattei et al., Phys. Rev.

15 Formazione dei NanoPianeti Au-Ag in SiO 2 Modifica dell intorno dielettrico dei NC (Plasmon tuning) Core + Satelliti = Nano-Pianeti 190 kev Ar + irradiation SiO 2 Au-Ag 1 0 n m G. Mattei et al., Phys. Rev. Lett. 90 (2001) = cm n m = cm -2

16 Simulazione delle proprietà plasmoniche dei Nano-Pianeti k E AuAg x 20 local field enhancement Accoppiamento con emettitori in prossimità Controllo risonanza plasmonica Proprità ottiche nonlineari

17 Optical Density Z-scan Open Aperture Proprietà NLO di Nano-Pianeti Au-Ag ( I ) I 0 Assorbimento Lineare Assorbimento Nonlineare AuAg 30 nm 1.06 AuAg + Ar + sat. abs AuAg + Ar AuAg opt. lim wavelength (nm) Z (mm) Nd-Glass 527 nm Single pulse 6 ps Rep.rate 1Hz I max ~ 1 GW/cm 2 sample β (cm/w) AuAg AuAg + Ar

18 2. Sensori plasmonici Array 2D di nano-prismi Ag su SiO 2 (D ~ nm)

19 Nano-piramidi ordinate di Ag su SiO nm 300 nm Dimensione D nano-piramidi: nm Altezza h nano-piramidi: nm

20 Hot-spot engineering x 100 local field enhancement hot-spot in prossimità delle punte spettroscopia Raman (SERS)

21 3. Proprietà Magneto-plasmoniche NC di lega Au-Fe in SiO 2

(220) (311) (222) (200) (111) Nano-lega Au-Fe in SiO 2 surface GIXRD Au 0.6 Fe 0.4 a (fcc)= 0.395(1) nm a(au bulk) = 0.

22 (220) (311) (222) (200) (111) Nano-lega Au-Fe in SiO 2 surface GIXRD Au 0.6 Fe 0.4 a (fcc)= 0.395(1) nm a(au bulk) = nm (fcc) a(fe) = nm (bcc) nm (fcc) θ Au9Fe9 as-implanted <D> ~ 5 ± 2 nm GIXRD, TEM, EXAFS Au x Fe 1-x lega fcc (x ~ 0.56)

23 MCD (mrad) MCD proprietà magneto-ottiche Au-Fe nm nm 476 nm -0.2 T = 1.6 K Applied field (T) variazione notevole della saturazione della lega Au-Fe dipendente da λ il campo coercitivo è funzione del flusso di fotoni

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