Sistemi ottici multistrato a base di nanocristalli

Abstract

In questo lavoro di tesi sono stati progettati, fabbricati e caratterizzati sistemi ottici multistrato a base di nanocristalli colloidali per la realizzazione di Riflettori di Bragg Distribuiti (DBR) mediante tecniche di deposizione da soluzione. La struttura realizzata si basa sull'alternanza periodica di strati nanostrutturati a basso e alto indice di rifrazione, rispettivamente nanoparticelle di silice e di ossido di indio drogato con stagno (ITO), depositati su substrati di silicio. Il processo di fabbricazione è stato ottimizzato calibrando la concentrazione delle dispersioni colloidali e combinando trattamenti con plasma d'ossigeno sui substrati con la deposizione per spin coating, raggiungendo uno spessore target controllato di circa 80 nm per i singoli strati. Un passaggio fondamentale è stato l'inserimento di una ricottura termica a 400°C dopo ogni deposizione, che ha stabilizzato la matrice rendendo i film insolubili e prevenendo la compenetrazione tra strati adiacenti. La caratterizzazione ottica dei campioni è stata condotta mediante Ellissometria Spettroscopica ad Angolo Variabile (VASE) e modellizzata tramite il software WVASE. L'applicazione dell'Approssimazione del Mezzo Efficace (EMA) di Bruggeman ha confermato la porosità interstiziale dei film colloidali. Dal punto di vista ottico, la silice ha mostrato trasparenza completa, mentre l'ITO ha evidenziato la tipica risposta da conduttore trasparente degenere. La risposta dei DBR a 6 strati ha mostrato la formazione di un netto bandgap fotonico, con riflettività fino al 75%. i risultati ottenuti dimostrano l’efficacia e la riproducibilità della procedura da soluzione, sviluppata per la realizzazione di cristalli fotonici 1D basati su nanomateriali.

In this thesis work, multilayer optical systems based on colloidal nanocrystals were designed, fabricated, and characterized to realize Distributed Bragg Reflectors (DBR) using solution-based deposition techniques. The fabricated structure is based on the periodic alternation of nanostructured layers with low and high refractive indices, consisting of silica and tin-doped indium oxide (ITO) nanoparticles, respectively, deposited on silicon substrates. The fabrication process was optimized by tuning the concentration of the colloidal dispersions and combining oxygen plasma treatments on the substrates with spin-coating deposition, achieving a controlled target thickness of approximately 80 nm for the individual layers. A fundamental step was the inclusion of a thermal annealing process at 400 °C after each deposition, which stabilized the matrix, rendering the films insoluble and preventing interpenetration between adjacent layers. The optical characterization of the samples was performed using Variable Angle Spectroscopic Ellipsometry (VASE) and modeled using the WVASE software. The application of Bruggeman's Effective Medium Approximation (EMA) confirmed the interstitial porosity of the colloidal films. From an optical perspective, silica exhibited complete transparency, while ITO showed the characteristic response of a degenerate transparent conductor. The response of the 6-layer DBR demonstrated the formation of a distinct photonic bandgap, reaching a reflectivity of up to 75%. The obtained results prove the efficacy and reproducibility of the solution-processing procedure developed for the realization of 1D photonic crystals based on nanomaterials.