Optical metamaterials: design, up-scalable fabrication and characterization

Abstract

Els metamaterials són materials artificialment estructurats, minuciosament dissenyats per a l’obtenció de propietats electromagnètiques no observables en la natura, com l’índex de refracció negatiu. L’objectiu d’aquesta tesi és el desenvolupament de metamaterials òptics a gran escala que puguin ser fàcilment incorporats en dispositius reals. Combinant la litografia col·loïdal i el electrodeposició, vam presentar un disseny bottom-up de metamaterials tipus fishnet fets de capes d’or i aire. L’adequat disseny experimental i teòric dóna lloc a índexs de refracció fàcilment variables en l’infraroig proper. Aquesta estructura és duta a metamaterials tipus fishnet multicapes fets a partir de litografia per nanoimpressió i electrodeposició. Analitzem en detall la resposta òptica de les estructures, que donen lloc a grans índexs negatius des del visible fins a l’infraroig. Estudiem la seva aplicació com a sensors òptics infiltrant diferents líquids en les cavitats d’aire. Aquestes tècniques són igualment utilitzades per al desenvolupament de plataformes metàl·liques nanoestructurades per a l’observació de l’emissió espontània col·lectiva.

Los metamateriales son materiales artificialmente estructurados, minuciosamente diseñados para la obtención de propiedades electromagnéticas no observables en la naturaleza, como el índice de refracción negativo. El objetivo de esta tesis es el desarrollo de metamateriales ópticos a gran escala que puedan ser fácilmente incorporados en dispositivos reales. Combinando la litografía coloidal y el electrodepósito, presentamos un diseño bottom-up de metamateriales tipo fishnet hechos de capas de oro y aire. El adecuado diseño experimental y teórico da lugar a índices de refracción fácilmente variables en el infrarrojo cercano. Esta estructura es llevada a metamateriales tipo fishnet multicapas hechos a partir de litografía por nanoimpresión y electrodepósito. Analizamos en detalle la respuesta óptica de las estructuras, que dan lugar a grandes índices negativos desde el visible hasta el infrarrojo. Estudiamos su aplicación como sensores ópticos al infiltrar diferentes líquidos en las cavidades de aire. Estas técnicas son igualmente utilizadas para el desarrollo de plataformas metálicas nanoestructuradas para la observación de emisión espontánea colectiva.

Metamaterials are artificially structured materials, thoroughly designed for achieving electromagnetic properties not observed in nature such as the negative refractive index. The purpose of this thesis is the development of up-scalable optical metamaterials that can be easily incorporated into actual devices. By combining colloidal lithography and electrodeposition, we report an entirely bottom-up fishnet metamaterial made of gold and air layers. A proper theoretical and experimental design gives rise to tunable refractive index, from positive to negative values in the near infrared. This structure is extended to multilayered fishnet metamaterials made by nanoimprint lithography and electrodeposition. We thoroughly analyze the optical response of the structures, which lead to strong negative index from the visible to near infrared. Their performance as optical sensors is studied when infiltrating different liquids through the air cavities. These techniques are used to fabricate nanostructured metallic substrates for studying the collective spontaneous emission of fluorescent molecules.